Ba(Zr0.2Ti0.8)O3介质薄膜生长及Mn掺杂效应研究

论文摘要

Ba(ZrxTi1-x)O3（BZT）,为Zr部分B位取代BaTiO3（BTO）中的Ti而形成的一种BTO基钙钛矿材料。由于Zr4+比Ti4+化学稳定性更好,Zr4+取代Ti4+之后将会抑制Ti4+与Ti3+之间的电子跃迁,从而减小了薄膜的漏电流。因此BZT在具有较高的介电可调的同时可以保持低的介电损耗,这使得BZT得到了广泛的研究。本论文选择BZT中介电性能较好的Ba(Zr0.2Ti0.8)O3,通过脉冲激光沉积设备,在氧化物衬底以及Si衬底上沉积BZT以及2% Mn受主掺杂的BZT薄膜,系统的研究了BZT薄膜的生长以及掺杂、温度、厚度、底电极等对BZT薄膜结构与性能的影响。主要包括以下内容:首先,在氧化物衬底（沉积有LaNiO3的LaAlO3（001）,沉积有SrRuO3的MgO（001））上,在600℃的沉积温度下实现BZT及Mn掺杂BZT薄膜cube-on-cube的方式外延生长。通过Mn掺杂,在LAO衬底上沉积BZT薄膜可调由49.1%提高到59.4%,损耗由2.5%降低到1.8%;在MgO衬底上沉积的BZT可调由42.7%提高到52.4%,损耗由2.6%降低到2.0%。同时研究了BZT薄膜厚度与其介电性能的关系,发现介电可调随着薄膜厚度的减小,呈现先增大后减小的变化规律,这可由界面应力以及介电“死层”两种机制的竞争来解释。其次,在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上,在700℃的沉积温度下,实现BZT及Mn掺杂BZT薄膜面外（111）取向择优生长。通过Mn掺杂,BZT薄膜结晶性能得到改善,介电可调由60.9%提高到69.0%,损耗由6.5‰降低到5.0‰。同时研究了生长温度对BZT薄膜介电性能的影响,随着生长温度的升高,介电可调增加,损耗降低,并且BZT薄膜由室温顺电相变为室温铁电相。这种随着沉积温度升高铁电性增强可能源于BZT薄膜与Si衬底间较大的热膨胀失配。论文对Mn掺杂的机理进行了初步研究。Mn掺杂改善BZT薄膜介电性能可能源于Mn掺杂改善了薄膜的结晶性能,降低了BZT的费米能级,以及Mn掺杂使得BZT薄膜电荷浓度降低,自由电子减小以及Mn T’ ’ i - VO..缺陷复合体沿着外加电场重新排列。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电介质材料
• 1.1.1 电介质材料简介
• 1.1.2 微波可调介质材料
• 1.1.3 钙钛矿结构介电材料
• 3薄膜研究现状'>1.2 BA（ZR,TI）O₃薄膜研究现状
• 3 的基本性能特点'>1.2.1 Ba（Zr,Ti）O₃的基本性能特点
• 3薄膜研究进展'>1.2.2 Ba（Zr,Ti）O₃薄膜研究进展
• 3薄膜掺杂改性研究'>1.3 BA（ZR,TI）O₃薄膜掺杂改性研究
• 1.4 论文选题及研究方案
• 第二章 BZT 薄膜的制备工艺，微结构表征和电学性质测试
• 2.1 制备BZT 薄膜PLD 系统简介
• 2.1.1 PLD 制膜原理
• 2.1.2 PLD 陶瓷靶材制备
• 2.2 BZT 薄膜微结构表征方法
• 2.2.1 X-射线衍射分析
• 2.2.2 原子力显微镜
• 2.2.3 扫描电子显微镜
• 2.2.4 X 射线光电子能谱仪
• 2.3 BZT 薄膜电学性质的测试方法
• 第三章 单晶氧化物基片上外延生长BZT 薄膜及MN掺杂效应
• 3.1 LAO 衬底上生长的BZT 薄膜及MN掺杂效应
• 3.1.1 BZT 薄膜生长及结构与形貌表征
• 3.1.2 2% Mn 掺杂对BZT 薄膜影响
• 3.2 MGO 衬底上生长BZT 薄膜及MN掺杂效应
• 3.2.1 2% Mn 掺杂对BZT 薄膜的影响
• 3.2.2 不同厚度Mn-BZT 薄膜结构与介电性能研究
• 3.3 不同衬底上外延生长BZT 薄膜介电性能比较
• 3.4 本章小结
• 2/SI衬底上沉积BZT薄膜及MN掺杂效应'>第四章 PT/TI/SIO₂/SI衬底上沉积BZT薄膜及MN掺杂效应
• 4.1 沉积温度对BZT 薄膜的影响
• 4.1.1 沉积温度对BZT 薄膜结构与形貌的影响
• 4.1.2 沉积温度对BZT 薄膜介电与铁电性能的影响
• 4.2 Mn 掺杂对 BZT 的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 BZT 薄膜MN掺杂机理的研究
• 5.1 Mn 掺杂对 BZT 薄膜元素化合态的影响
• 5.2 Mn 掺杂改性机制初探
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果