鈣鈦礦型鐵電薄膜微觀結(jié)構(gòu)與電機(jī)械性能的關(guān)系探討
鈣鈦礦型(ABO3)鐵電薄膜是電子工業(yè)中重要的功能型器件的原材料來源之一,其優(yōu)異的鐵電、壓電、熱釋電等特性衍生出來各種驅(qū)動(dòng)器與傳感器,如:存儲(chǔ)器、RF-MEMS開關(guān)、超聲馬達(dá)和紅外探測器等。能夠?qū)崿F(xiàn)來自外界的機(jī)械刺激與電能之間的轉(zhuǎn)換或利用電能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的機(jī)械響應(yīng)與控制。鐵電薄膜的這些特點(diǎn)使得其在大數(shù)據(jù)、移動(dòng)計(jì)算、自動(dòng)化控制等多個(gè)核心與新興領(lǐng)域的應(yīng)用前景愈發(fā)廣闊。目前微電子工業(yè)中常用的鐵電薄膜基電子器件大多為單一成分的多晶結(jié)構(gòu),其自身的剩余極化強(qiáng)度小、電學(xué)性能差,無法體現(xiàn)薄膜小型化、易集成的優(yōu)勢,嚴(yán)重制約了 ABO3型鐵電薄膜在微電子工業(yè)的廣泛應(yīng)用。鐵電薄膜的電學(xué)性能具有顯著的各項(xiàng)異性,制備擇優(yōu)取向甚至外延AB03型鐵電薄膜,并在薄膜生長過程中對其進(jìn)行應(yīng)力調(diào)控和相調(diào)控,觀察其微觀結(jié)構(gòu)在應(yīng)力與電場作用下的演變過程,研究其微觀結(jié)構(gòu)對電學(xué)性能的影響。這些研究對ABO3型鐵電薄膜在理論與實(shí)際應(yīng)用方面均具有十分重要的意義與價(jià)值。在實(shí)驗(yàn)研究方面,本文選用鈦酸鹽系鈣鈦礦鐵電材料,利用多靶射頻磁控濺射制備技術(shù)沉積取向生長/外延鐵電薄膜,研究薄膜中相結(jié)構(gòu)與疇結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律,揭示其微觀結(jié)構(gòu)與電學(xué)性能之間的關(guān)系。
(1)基于彈性疇理論分析晶格失配帶來異相多疇形成過程。在不同基體上制備外延BZT鐵電薄膜,分別利用XRD、TEM、SHG和AFM等技術(shù)觀察并分析薄膜中異相多疇結(jié)構(gòu)的特征與演變過程,并將其與理論分析的結(jié)果——印證。采用不同的電學(xué)測試平臺(tái)分別表征其鐵電、介電性能隨溫度、頻率、偏壓電場的變化規(guī)律。結(jié)構(gòu)分析與電學(xué)性能測試結(jié)果表明:T/R異相疇與R相高階疇的形成不僅促進(jìn)了 BZT薄膜儲(chǔ)能密度的提高,而且對其儲(chǔ)能效率的提升也有很大的貢獻(xiàn)。
(2)利用雙靶射頻磁控共濺射技術(shù)在Pt/Ti/Si上生長單軸組分梯度變化的(1-x)BaTiO3-xBaSnO3(BT-xBS,0≤x≤0.20)鈣鈦礦薄膜,薄膜為(101)-取向生長且電機(jī)械性能隨組分的變化而發(fā)生改變。組分在x = 0.028時(shí),薄膜的相對介電常數(shù)存在極大值(925),在此組分附近其橫向壓電系數(shù)也存在極大值并在1.5 C/cm2-1.9 C/cm2之間變化,此橫向壓電系數(shù)與外延(001)取向的鈦酸鋇薄膜相比,約為其三倍左右。該結(jié)果表明BT-xBS薄膜作為壓電MEMS器件的無鉛化替代品有著很好的前景。
(3)選取(]00)-MgO基體,以Pt/SRO為底電極,制備外延Pb(Zr0.53Tio.47)O3薄膜。采用“小信號(hào)”e31,f測試方法記錄90°與180°疇的動(dòng)態(tài)反轉(zhuǎn)過程。在這種“小信號(hào)”e31,f的測試過程中,偏壓電場下橫向壓電響應(yīng)的演變過程對應(yīng)疇翻轉(zhuǎn)過程的變化。此外,非對稱的e31,f-V曲線表明在薄膜內(nèi)部存在一個(gè)很大的內(nèi)建電場;在標(biāo)準(zhǔn)的鐵電電滯回線測試中也證實(shí)內(nèi)建電場的存在。在壓電懸臂梁樣品上施加一系列的直流偏壓(分別從0V到±30 V)電場,并對其做常規(guī)X射線的2θ-掃描;該XRD衍射結(jié)果與此前e3,1f測試揭示的疇反轉(zhuǎn)過程基本一致。
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