铁电SBN60薄膜的制备及性能研究

论文摘要

本论文探讨了SBN60薄膜的溶胶-凝胶（Sol-Gel）法以及脉冲激光沉积（PLD）法生长技术及其原理。在Sol-Gel法制备中，分别用NbCl5，KOH和Nb（OC2H5）5作为Nb醇盐的先驱物制备出SBN60前驱溶液，随后在1000℃的退火温度下，在Si（100）与MgO（001）衬底上生长出高度C轴择优取向的SBN60铁电薄膜。用X射线衍射仪（XRD）、原子力显微镜（AFM）、二次离子质谱（SIMS）、受激拉曼散射、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、阻抗分析仪、铁电测试仪、分光光度计、电致双折射装置（自建系统）等方法对SBN60薄膜的结构性能、物理性能以及光学性能进行了表征。研究了各生长条件如退火温度、前驱溶液等参数对SBN60薄膜结晶以及择优取向性能的影响。 研究表明，退火温度以及前驱溶液是关系到Si衬底上长出C轴择优取向的SBN60薄膜的关键因素。前驱溶液中K离子的存在，使得长出C轴择优取向薄膜成为可能，而高的退火处理温度则使得高择优SBN60薄膜的出现成为现实。实验中发现：高温退火，导致K，Sr，Ba，Nb，Si离子在界面产生剧烈的扩散，从而在SBN60薄膜与Si衬底之间形成一层非晶层，非晶层的存在能解决因SBN薄膜与Si衬底因晶格失配率大导致的应力问题以及表面能量差异较大而导致的生长问题，在以后的生长中，非晶层充当上层薄膜生长的缓冲层，最后导致SBN60薄膜的C轴高择优取向。总结起来就是非晶层成分的变化以及结构的缓冲导致SBN薄膜能以最低的能量生长。 根据上面启示，实验中我们设计了SBN60／K-SBN80／Si结构，K-SBN60层通过1000℃高温处理，目的是在Si与上层的纯SBN60层形成一层非晶缓冲层，而纯SBN60层的退火温度则从600℃到1000℃。实验结果表明：在此结构中，SBN薄膜层的处理温度在600℃这一较低温度下就开始结晶，已形成部分SBN相，当温度升高时，薄膜的结晶度增加，SBN相在750℃时已完全形成。在900℃下，薄膜具有最好的取向以及表面质量。这说明在Si衬底上低温时可以得到SBN薄膜的，且薄膜的生长有个最佳的生长温度。 用PLD法制备Si衬底上的K-SBN60铁电薄膜时，研究薄膜中的K离子，衬底温度以及氧分压等因素对薄膜C轴择优取向性的影响。实验得到K离子的存在是择优取向薄膜的先决条件，而适合衬底温度和氧分压则导致择优取向薄膜的出现。当温度高于720℃，氧气分压为100mTorr时，K-SBN薄膜的取向性最好。浙江大学硕士学位论文摘要 在对501一Gel法制备的薄膜进行电容一频率，电容·电压以及极化一电场等电学特性的研究时，发现K离子的存在，虽然在一定的程度上导致了高择优取向SBN60薄膜的出现，但同时，另一方面，K离子的存在也导致薄膜的部分铁电性能以及存储性能的丢失。因此在实际的应用中，应该考虑到这两方面的影响，找到最佳的平衡点。 实验中，在Mgo（001）衬底上，引入掺K离子的SBN60铁电薄膜，K离子的存在虽然导致薄膜取向性的变差，但同时却改变了薄膜的部分光学性能。通过光度法利用Forouhi一Bloome:模型模拟得到不同K离子含量的SBN60薄膜的折射率，发现这些结果和用棱镜藕合法测得的SBN60薄膜的折射率十分的吻合。纯SBN60薄膜的折射率最大，为2.:29，和单晶数值较吻合。且SBN60薄膜的折射率随着K离子的引入而减小，K离子含量越高，薄膜的折射率越低。实验通过自建的电致双折射装置测量发现K离子的引入能提高薄膜的横向电光系数:5;值。K离子含量越大，薄膜的电光系数越大，但同时其取向性却变差。基于上述Mgo衬底上sBN薄膜的特性，我们设计了一种M一Z型波导调制器，并计算得到薄膜的半波调制电压随着K离子含量的增加而逐渐变小。以上实验给我们的启示是在取向性和横向电光系数之间找个平衡点，设计并制备出我们需要的波导调制器。关键词:妮酸铭钡铁电薄膜，硅（100）衬底，Mgo（001）衬底，溶胶一凝胶，脉冲激光沉积，择优取向，电光系数，光波导

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 铁电材料的特性
• 1.1.1 铁电材料自发极化特性
• 1.1.2 铁电材料的居里温度
• 1.2 铁电材料的应用
• 1.2.1 电光效应
• 1.2.2 光折变效应
• 1.3 铁电薄膜的发展及应用
• 1.3.1 铁电薄膜的应用
• 1.3.2 铁电薄膜－硅基底微集成系统
• 1.4 重要的铁电薄膜材料——铌酸锶钡（SBN）
• 1.4.1 SBN单晶
• 1.4.2 SBN薄膜的研究现状
• 1.5 本文研究内容及创新点
• 参考文献
• 第二章 SBN60铁电薄膜的制备
• 2.1 铁电薄膜的制备方法
• 2.2 SBN60薄膜的Sik-Gel法制备
• 2.2 SBN60薄膜的Pulsed Laser Deposition（PLD）法制备
• 参考文献
• 第三章 SBN60薄膜结构性能测试分析
• 3.1 检测方法
• 3.2 Sol-Gel法制备的SBN60薄膜在Si（100）衬底上的生长
• 3.2.1 前驱溶液对SBN薄膜择优取向的影响
• 3.2.2 烧结温度对SBN薄膜结晶的影响
• 3.3 Sol-Gel法制备的SBN60薄膜在MgO（001）衬底上的生长
• 3.4 PLD法制备的SBN60薄膜在Si（100）衬底上的生长
• 3.4.1 K离子的掺入对SBN薄膜取向性的影响
• 3.4.1 衬底温度对SBN薄膜取向胜的影响
• 3.4.2 氧分压对SBN薄膜取向性的影响
• 3.5 制备SBN60薄膜的Sol-gel法与PLD法比较
• 参考文献
• 第四章 SBN60薄膜性能测试
• 4.1 电学特性
• 4.1.1 电容-频率（Capacity-frequency）
• 4.1.2 电容-偏压（C aPacity-Bias voltage）
• 4.1.3 极化-电场（Polarization-Electric field）
• 4.2 光学特性
• 4.2.1 光度法测量薄膜的折射率
• 4.2.2 棱镜耦合法测量薄膜的折射率
• 4.3 电光系数的测量
• 51的测量'>4.3.1 横向电光系数r₅₁的测量
• 33的测量方法'>4.3.2 纵向电光系数r₃₃的测量方法
• 参考文献
• 第五章 铁电SBN60薄膜的应用
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 需要改进的问题
• 6.2.1 溶胶-凝胶工艺的改进
• 6.2.2 Sol-Gel法制备样品的物理性能方面的完善
• 6.2.3 PLD法制备样品的性能方面的测试
• 6.3 SBN铁电薄膜的应用前景
• 6.4 发展铁电薄膜的主要障碍与解决对策
• 致谢