钛酸锶钡薄膜介电非线性特性研究

论文摘要

本文通过研究薄膜界面和BST(Ba1-xSrxTiO3)膜层两个方面的因素（如：界面过渡层的厚度、介电系数和电导，BST膜层的厚度、晶粒尺寸、晶界构型和择优耿向等），来寻找可以提高和优化BST薄膜非线性的途径，并开展了高可调率BST非线性薄膜的制备实验。完成的工作主要有以下几个方面：采用三层介质电容器模型，对各层介质中不同时刻的电场分布情况，进行了求解和模拟。发现当频率较高时，界面过渡层对薄膜样品性能的负面影响变得尤为显著。研究了BST膜层厚度与薄膜表观介电系数以及可调率之间的关系，分析了BST膜层厚度影响薄膜表观介电性能的几种可能的机理。研究表明：“BST膜层厚度的增加，使得两个界面过渡层在整个样品中所占的比例降低”是薄膜厚度影响样品表观介电性能的主要机理之一。研究了晶粒尺寸与薄膜表观介电系数以及可调率之间的关系，分析了晶粒尺寸影响薄膜表观介电性能的几种可能的机理。研究表明：在晶粒还没有生长到彼此接触的阶段，晶粒尺寸对BST膜层表观介电系数影响的主要机理是“晶相增多，而非晶相减少”。分析了非线性特性曲线的几种相关现象（如：C-V曲线两翼不对称现象，C-V曲线水平偏移现象，电滞回线垂直偏移现象、电滞回线宽度变化等）并针对各现象，给出了解释，或开展了实验研究。采用传统陶瓷工艺，制成了三组掺有不同量CaO，Al2O3和SiO2混合杂质的BST靶材，并对靶材进行了XRD、SEM和EDS分析。分析表明：当掺杂量为1mol％时，BST的结晶良好，且可以观测到杂质在晶界区域的聚集；当掺杂量为3mol％时，BST的结晶受到明显的影响；当掺杂量为5mol％时，BST的结晶受到严重的影响。通过对比未掺杂BST陶瓷靶材与掺杂BST陶瓷靶材的晶界构形，发现：在未掺杂BST陶瓷靶材中，许多三晶粒交界处存在三角形气孔；在掺杂BST陶瓷靶材中，这种气孔的数量大大减小。采用掺杂量为1mol％的BST靶材，制备了具有（220）择优取向的掺杂BST非线性薄膜，并对该薄膜进行了SEM、XRD、AFM、GAXRD分析和介电行为测试。测试结果表明：该薄膜在测试温度为12℃，测试频率为500kHz，偏置电压为-6V～6V的条件下，可调率可以达到57.3％，而对应的最大介质损耗为0.0276。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 铁电薄膜
• 1.2 BST薄膜
• 1.3 介电非线性
• 1.3.1 介电非线性的概念
• 1.3.2 介电非线性的理论解释
• 1.4 影响BST薄膜非线性的主要自身因素
• 1.4.1 主要成分及其含量
• 1.4.2 杂质种类及其含量
• 1.4.3 衬底种类及其晶向
• 1.4.4 缓冲层种类、晶向及其厚度
• 1.4.5 电极材料的种类和晶向
• 1.4.6 其他影响BST薄膜非线性的自身因素
• 1.5 影响BST薄膜非线性的主要环境因素
• 1.5.1 温度
• 1.5.2 频率
• 1.6 影响BST薄膜非线性充分体现的重要因素——BST膜层电导率
• 1.6.1 BST材料的本征激发
• 1.6.2 BST晶粒中结构缺陷的存在
• 1.6.3 BST材料中晶界的存在
• 1.6.4 BST膜层电导率的控制措施
• 1.7 本论文的选题背景
• 第二章 界面与薄膜的非线性特性
• 2.1 界面基础理论及其应用
• 2.1.1 材料的功函数与肖特基势垒的形成
• 2.1.2 表面态对肖特基势垒的影响
• 2.1.3 Schottky-Mott模型
• 2.3 BST薄膜的漏电流研究
• 2.3.1 BST薄膜电容器的充电过程
• 2.3.2 BST薄膜电容器的I-V特性
• 2.3 BST薄膜界面过渡层研究
• 2.3.1 BST薄膜界面过渡层存在的实验依据
• 2.3.2 BST薄膜中电场分布的计算
• 2.3.3 界面过渡层介电系数的计算
• 2.3.4 考虑界面后薄膜样品的等效电路
• 第三章 BST膜层与薄膜的非线性特性
• 3.1 BST膜层中的晶粒和晶界
• 3.1.1 “晶粒-晶界”理想化结构模型
• 3.1.2 晶粒中的极化以及晶粒的介电系数
• 3.2 BST膜层厚度对样品整体介电性能的影响
• 3.2.1 BST膜层厚度效应的主要文献
• 3.2.2 BST膜层厚度效应的实验研究
• 3.2.3 BST膜层厚度增加所带来的影响
• 3.3 晶粒尺寸对样品非线性特性的影响
• 3.3.1 BST晶粒的临界尺寸
• 3.3.2 有关晶粒尺寸效应的主要文献报道
• 3.3.3 BST晶粒尺寸效应的实验研究
• 3.3.4 BST晶粒增大所带来的影响
• 3.4 晶化程度对BST薄膜晶格参数的影响
• 3.4.1 快速退火
• 3.4.2 传统退火
• 第四章 非线性特性曲线的测试与分析
• 4.1 蝶形回线的测试与分析
• 4.1.1 测试仪器与测试条件
• 4.1.2 蝶形回线的两翼不对称现象研究
• 4.2 电滞回线的测试与分析
• 4.2.1 测试仪器与测试条件
• 4.2.2 相关现象研究
• 第五章 BST薄膜非线性特性的模拟
• 5.1 蝶形回线和电滞回线的模拟
• 5.1.1 P-E函数的表达
• 5.1.2 C-V函数与P-E函数的关系
• 5.1.3 模拟思路
• 5.1.4 模拟实例
• 5.2 表观介电系数与BST膜层厚度关系的模拟
• 5.3 表观介电系数与晶化程度关系的模拟
• 5.4 BST膜层中电场随时间变化的模拟
• 第六章 高可调率BST薄膜的制备实验
• 6.1 理论依据与总体思路
• 6.2 配方的计算
• 6.3 陶瓷靶材的制备
• 6.4 靶材的XRD分析
• 6.4.1 样品1#-01
• 6.4.2 样品2#-01
• 6.4.3 样品3#-02
• 6.5 靶材的SEM和EDS分析
• 6.5.1 未掺杂BST陶瓷晶粒的SEM分析和EDS分析
• 6.5.2 掺杂BST陶瓷靶材晶粒的SEM分析和EDS分析
• 6.6 掺杂BST薄膜的制备、测试与分析
• 6.6.1 掺杂BST薄膜的制备
• 6.6.2 掺杂BST薄膜的SEM分析
• 6.6.3 掺杂BST薄膜的XRD分析
• 6.6.4 掺杂BST薄膜的AFM分析
• 6.6.5 掺杂BST薄膜的GAXRD分析
• 6.6.6 掺杂BST薄膜的介电行为测试
• 6.7 实验结果
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的成果