BST类铁电薄膜生长机理与应力调制研究

论文题目: BST类铁电薄膜生长机理与应力调制研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料物理与化学

作者: 李金隆

导师: 李言荣

关键词: 铁电薄膜,生长机理,应力调制,自组织生长,纳米结构

文献来源: 电子科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: BaxSr1-xTiO3（0≤x≤1）类钙钛矿型铁电薄膜因其独特的物理特性和宽广的应用前景受到了物理和材料学家们的广泛关注，成为近年来铁电学研究最具吸引力的热点问题。然而对于这类结构复杂的多元氧化物薄膜而言，其晶格结构和特性比一般的二元氧化物薄膜，单元素的金属或半导体薄膜要复杂得多，因此无论是理论研究还是高质量薄膜的制备都受到一定的制约，一些重要的物理现象和机理仍不清楚，尤其是在薄膜的生长机理，生长动力学以及表面微观结构控制的研究中存在一些亟待解决的问题，而当薄膜的厚度降低到纳米尺度以后这些问题更加突出，在一定程度上阻碍了铁电薄膜器件的快速发展。 本论文以BST类薄膜作为研究对象，从实验入手对材料的生长工艺、生长动力学过程、生长机理以及表面微结构控制做了大量探索性、创新性工作，并在此基础上对这些问题的内在物理机制做了较为深入的研究和探讨，主要内容如下： 1．BST类薄膜生长的模式控制与动力学研究 （1） 利用激光分子束外延技术，通过多种分析表征手段确定BST类铁电薄膜的层状，层岛混合，岛状生长模式，发现生长温度是影响薄膜生长过程中ES扩散势垒的主要因素，而扩散势垒和沉积速率的变化决定了生长模式的改变，即在高温、低沉积速率时，薄膜主要以二维层状模式进行生长，而在低温、高积速率下，薄膜则以三维岛状模式生长为主，从二维模式生长向三维模式生长的过渡则表现为层岛混合生长模式。优化薄膜的生长条件，利用反射式高能电子衍射，通过衍射强度振荡曲线及衍射图样，实现对BST类薄膜生长模式的控制，首次绘制出SrTiO3，BaTiO3薄膜生长模式图谱。 （2） 确定了BST铁电薄膜的动态和静态最低晶化温度，首次发现SrTiO3，BaTiO3，Ba0.5Sr0.5TiO3三种铁电薄膜可以分别在280℃、330℃、340℃的低温下实现外延层状生长，同时建立了BST类铁电薄膜的低温生长动力学模型。 2．BST类薄膜原胞生长的动力学过程与机理研究 （1） 利用反射式高能电子衍射研究了BST类薄膜表面扩散过程，通过Arrehenius模型测量计算了薄膜的表面活化能，沉积粒子在表面的有效扩散率。 （2） 利用X射线衍射、原子力显微镜，发现BST/Si（111）薄膜的多原胞生长现象，即薄膜以BaTiO3原胞为生长单元在表面成核、扩散运动、结合生长，在沉积速率很高时，原胞“自我复制”的能力较大，薄膜每一个单层由多个原胞相互

论文目录:

摘要

ABSTRACT

目录

第一章 绪论

1.1 铁电材料与铁电薄膜

1.2 BST类薄膜的生长机理与方法

1.3 存在的主要科学技术问题

1.4 本论文工作的研究思路和框架结构

第二章 实验过程与方法

2.1 激光分子束外延系统的特点和实验装置

2.2 RHEED的特点与系统结构

2.3 微观分析方法

2.3.1 原子力显微镜分析

2.3.2 X射线衍射分析

第三章 BST薄膜生长的模式控制研究

3.1 引言

3.2 BST类薄膜的生长模式控制和机理研究

3.2.1 薄膜外延生长模式的确定

3.2.2 薄膜生长模式的控制及其图谱的绘制

3.2.3 薄膜生长模式控制的机理研究

3.3 BST类薄膜的低温生长实验和动力学模型

3.3.1 BST类薄膜的低温生长实验

3.3.2 薄膜低温生长动力学模型

3.4 小结

第四章 BST薄膜原胞生长动力学过程与模型研究

4.1 引言

4.2 BST类薄膜外延生长过程中的表面扩散研究

4.2.1 BTO薄膜表面扩散的驰豫时间测量与激活能计算

4.2.2 有效扩散率的计算

4.3 BST类薄膜多胞生长现象

4.4 原胞生长机理研究

4.4.1 BST类薄膜单原胞生长动力学模型

4.4.2 激光脉冲沉积中原胞形成的动力学过程和机理

4.5 小结

第五章 BST薄膜异质外延生长与应力释放研究

5.1 引言

5.2 BST薄膜异质外延与应变释放动力学研究

5.2.1 薄膜异质外延生长实验

5.2.2 异质外延过程中应力释放的理论与实验研究

5.3 压应力作用下BST薄膜表面微结构研究

5.3.1 应变岛的控制与形成机理

5.3.2 面内织构的控制与形成机理

5.4 小结

第六章 BST类薄膜自组织生长与应力调制

6.1 引言

6.2 不同界面应力对薄膜异质外延生长过程的影响

6.2.1 压应力作用下薄膜异质生长的规律

6.2.2 张应力作用下薄膜异质生长的规律

6.2.3 应力调制作用下薄膜的非对称性生长

6.3 BST类薄膜异质外延自组织生长研究

6.4 周期性自组织薄膜作为纳米线模板的机理

6.5 小结

第七章 结论

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士学位期间已发表和待发表的论文

申请中的专利

发布时间: 2006-11-28

参考文献

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