氧化物介质多层膜的生长与电学性能的研究

论文摘要

本文介绍了利用脉冲激光分子束外延技术（L-MBE）生长LaAlO3/BaTiO3（LAO/BTO）超晶格薄膜,并首次发现其具有比相同工艺条件下生长的SrTiO3/BaTiO3 更优良的电学性能,其介电损耗比SrTiO3/BaTiO3 超晶格薄膜至少小一个数量级。更重要的是LAO/BTO 超晶格薄膜具有明显的铁电性能,其2Pr可达到25μc/cm2。由于超晶格薄膜的性能决定于生长和结构,因此,在薄膜生长过程中,我们首先利用高能电子衍射技术（RHEED）对LAO/BTO 超晶格薄膜的生长进行研究,然后再利用X 射线衍射技术对其结构进行分析。X 射线谱中的一系列卫星峰表明了典型的LAO/BTO 多层膜结构的形成,而明亮清晰的RHEED 衍射条纹说明了LAO/BTO 超晶格薄膜的高质量的外延生长。通过LAO/BTO 超晶格薄膜的小角X 射线衍射曲线与其拟合曲线的对比,我们得出了超晶格薄膜的界面粗糙度,其最小可达1?,达到原子级平整度。同时通过对LAO 和BTO 层不同界面粗糙度以及不同层的RHEED 衍射图像的分析得出:具有较大晶格常数的BTO层在水平压应力的作用下其表面粗糙度较大;而在水平张应力作用下,具有较小晶格常数LAO 层的表面粗糙度较小。在成功生长出高质量外延LAO/BTO超晶格薄膜的基础上,我们对LAO/BTO超晶格薄膜铁电性能的可控性进行了研究。首先,在超晶格结构的顶部增加LAO顶层薄膜,有效的把超晶格薄膜界面处的应力控制在超晶格薄膜内部,减小了应力的释放,同时LAO 顶层薄膜还防止超晶格薄膜与金属上电极之间相互扩散,从而改善了LAO/BTO 超晶格薄膜的铁电性能。其次,通过改变LAO/BTO 超晶格薄膜的单层厚度的研究发现,具有4/4周期结构的超晶格薄膜的铁电性能最强,这一结果与XRD 衍射曲线中具有4/4 周期结构的超晶格薄膜的晶格应变最大相一致,说明晶格应变对铁电超晶格薄膜的电学性能起主要作用,同时,这也说明了通过控制超晶格薄膜的周期结构,可以有效的控制铁电超晶格薄膜的铁电性能。最后,我们通过改变LAO/BTO 超晶格薄膜的结构对称性,发现在一定BTO层厚度的条件下,增加LAO 层的厚度,超晶格薄膜的铁电性能开始逐渐增加,这进一步说明了在铁电超晶格薄膜中界面应力对超晶格薄膜电学性能具有重要影响。

论文目录

• 摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外对介质氧化物超晶格薄膜研究的发展动态
• 1.2.1 铁电超晶格薄膜的结构特点
• 1.2.2 铁电超晶格材料及其性能
• 1.2.3 衬底和电极材料的选择
• 1.2.4 介质超晶格薄膜的生长技术
• 1.3 介质氧化物超晶格薄膜的应用及前景
• 1.4 实验研究目的和任务
• 第二章 实验方案与思路
• 2.1 超晶格薄膜的制备工艺
• 2.1.1 LMBE 实验设备
• 2.1.2 L-MBE 成膜原理及其优势
• 2.2 LAO/BTO 超晶格薄膜微结构分析方法
• 2.2.1 RHEED 对薄膜的分析原理
• 2.2.2 小角X 射线衍射（SAXRD）方法原理
• 2.3 LAO/BTO 超晶格薄膜的电学性能测试
• 2.4 整个实验流程
• 第三章 LAO/BTO 超晶格薄膜的生长及结构分析
• 3.1 LAO/BTO 超晶格薄膜生长过程分析
• 3.1.1 基片表面的处理
• 3.1.1.1 基片温度对基片表面平整度的影响
• 3.1.1.2 LAO 缓冲层的影响
• 3.1.2 BTO 层和 LAO 层的生长分析
• 3.1.3 生长过程中的晶格变化
• 3.2 LAO/BTO 超晶格薄膜的界面结构分析
• 3.2.1 θ-2θ扫描的XRD 分析结果
• 3.2.2 小角X 射线衍射技术（SAXRD）对超晶格薄膜界面结构分析
• 第四章 LAO/BTO 超晶格薄膜的电学性能的分析研究
• 4.1 钙钛矿结构铁电晶体自发极化产生的微观机理
• 4.2 铁电超晶格薄膜宏观极化增强理论
• 4.3 LAO/BTO 超晶格薄膜铁电性能分析
• 4.3.1 LAO 上缓冲层结构对超晶格薄膜铁电性能的影响
• 4.3.2 LAO/BTO 超晶格薄膜总厚度对铁电性能的影响
• 4.3.3 周期（单层厚度）对铁电性能的影响
• 4.3.4 超晶格薄膜对称性对铁电性能的影响
• 4.4 铁电超晶格薄膜的介电性能分析
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历