典型的铁磁、铁电氧化物薄膜界面分析与界面控制方法的研究

论文摘要

钙钛矿结构的铁电氧化物薄膜和尖晶石结构的铁磁氧化物薄膜因其独特的电、磁学特性和宽广的应用前景受到了材料科学界的广泛关注，成为近年来介质氧化物薄膜研究的热点。在这类复杂结构的氧化物薄膜生长与应用中，存在着大量的表面、界面效应。由于理论研究和实验条件的制约，与界面相关的一些重要物理现象和机理仍不清楚，尤其是界面形成、界面动力学过程以及微结构控制等问题在一定程度上阻碍了介质氧化物薄膜器件的高速发展。本论文采用激光分子束外延生长技术，围绕几种典型的铁电、铁磁氧化物薄膜生长动力学原理以及界面控制方法，对氧化物薄膜的界面结构进行了较为系统的研究，并对界面应力、取向生长改善薄膜电、磁性能方面做了探索性的工作。首先，论文系统的研究了CoFe2O4（CFO）薄膜生长行为及其界面微结构特性。利用激光分子束外延技术（LMBE），通过对CFO薄膜生长的原位反射高能电子衍射（RHEED）监测发现生长温度和沉积速率共同决定了层状、层岛混合和岛状三种生长模式的转变。通过优化薄膜生长工艺参数实现对CFO铁磁氧化物薄膜生长模式的有效控制，并绘制出CoFe2O4／SrTiO3（STO）体系生长模式相图。根据RHEED强度振荡曲线，利用Arrhenius理论模型分析了CFO／SrTiO3（STO）异质外延生长中界面粒子弛豫过程，计算得到CFO表面和界面粒子迁移活化能分别为0．6eV和1．6eV，证明界面粒子需克服晶格失配造成的晶格扭结势垒Es而表现出更大的界面迁移活化能。通过透射电子显微镜（TEM）观察到不同生长模式下界面微结构的差异。在STO单晶基片上650℃，1．25（?）／sec岛状生长的CFO薄膜厚度超过临界厚度（5nm）将产生塑性形变形成失配位错，位错的Burgers矢量为a〈010〉，密度为1．25×108m-1。实测位错密度值略小于理论计算值2×108m-1，这表明部分失配应力以弹性应变的方式残留于薄膜内；而在同样温度下，以0．5（?）／sec沉积速率层状外延生长的CFO薄膜通过弹性应变方式释放失配应力，厚度超过15nm仍未观察到明显的失配位错形成。研究表明CFO外延薄膜界面的微结构由弹性应变和塑性形变共同决定。在界面微结构特性研究的基础上，利用界面应力调制CFO异质外延薄膜的微结构并对其性能展开了深入的探讨。采用LMBE技术系统研究了正／负失配下CFO薄膜的应力释放行为以及应变CFO薄膜的磁化特性。研究表明不同界面应力导致CFO薄膜异质外延生长过程中产生非对称界面生长现象，即张应力通过弹性应变使薄膜晶胞畸变，逐层释放应变；压应力通过改变薄膜界面结构来释放应力。通过应力调制作用，首次在应变的CFO／STO体系中得到明显的磁晶各向异性。垂直方向（[001]）和水平方向（[100]／[010]）的剩余磁化强度（Mr）分别为190 emu／cm3和150emu／cm3，垂直与水平方向的矫顽场差异达到3倍以上。另一方面，利用界面应力调制BaTiO3（BTO）／CFO／Nb-STO异质外延薄膜微结构，深入的研究了界面应力对复合异质薄膜铁电、铁磁性能的影响。首次通过X射线倒易空间扫描图精确获得BTO／CFO内晶格常数，并利用晶格常数方法计算得到随BTO厚度变化的残余应力分布状态，初步建立了多元氧化物异质外延薄膜有序结构中应力分布及弛豫模型。电性能测试表明BTO／CFO／STO异质外延体系中张应力的释放有利于铁电性的恢复。其次，采用激光脉冲沉积方法，从界面热力学角度系统研究了Pb(Zr1-xTix)O3（PZT）铁电薄膜在不同氧化物基片上取向外延生长行为及其界面特性。利用界面双晶外延生长机理实现了PZT薄膜在MgO（100）基片以（110）面取向外延生长。另外，从晶化动力学角度系统研究了后退火工艺中界面反应对PZT多晶薄膜择优取向生长的影响。通过改变升温速率有效控制PZT薄膜在界面异质成核并以（111）面择优生长，绘制出择优取向生长相图，并研究了不同取向PZT薄膜的电性能差异。最后，采用LMBE技术，以STO缓冲层实现BTO铁电薄膜在GaAs基片上c向外延生长，并对这种大晶格失配体系的界面控制方法进行了深入研究。根据近重位点阵生长机理，STO晶格通过面内45°旋转以减小与GaAs晶格失配。TEM界面研究发现这种非共格界面生长关系造成STO出现高位错密度界面层，且位错延伸至BTO内导致性能退化。首次利用临界厚度效应生长低于临界厚度的STO弹性应变界面层，获得STO缓冲层最优生长厚度为12-16ML之间。此时BTO受到STO缓冲层面内压应力，在均匀应变的STO表面以层状模式外延生长形成应变异质结，从而在原子尺度改善了BTO／STO／GaAs异质结界面结构。电性能测试表明Pt／BTO／STO／GaAs应变异质结表现出良好的极化特性，2Pr为6．5μC／cm2，±5V偏压下漏电流低于4×10-6A／cm2，较文献报道同类GaAs基异质结有显著提升，达到器件应用要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 氧化物介质薄膜及其应用
• 1.1.1 钙钛矿结构铁电氧化物及其薄膜的应用
• 1.1.2 尖晶石结构铁磁氧化物及其薄膜的应用
• 1.2 氧化物介质薄膜表面与界面的研究进展
• 1.3 界面研究中存在的主要科学技术问题
• 1.4 论文选题以及研究方案
• 第二章 实验原理与过程
• 2.1 激光分子束外延装置与原理
• 2.2 原位反射式高能电子衍射
• 2.2.1 外延薄膜RHEED衍射图案的主要信息
• 2.2.2 外延薄膜生长模式与PHEED衍射图案
• 2.3 薄膜的后位分析与表征方法
• 2.3.1 X射线衍射分析
• 2.3.2 表面形貌分析
• 2.3.3 薄膜断面透射电子显微分析
• 2.4 薄膜的电畴表征及电性能测试
• 2.4.1 PFM的表面电畴成像技术
• 2.4.2 电性能测试
• 2O₄铁磁氧化物薄膜生长模式控制与界面特性研究'>第三章 CoFe₂O₄铁磁氧化物薄膜生长模式控制与界面特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 反射高能电子衍射图案的标定
• 2O₄薄膜外延生长模式的确定'>3.3 CoFe₂O₄薄膜外延生长模式的确定
• 3.3.1 基片的表面处理
• 2O₄薄膜生长的影响'>3.3.2 生长温度对CoFe₂O₄薄膜生长的影响
• 2O₄薄膜生长的影响'>3.3.3 沉积速率对CoFe₂O₄薄膜生长的影响
• 2O₄薄膜生长模式控制'>3.4 CoFe₂O₄薄膜生长模式控制
• 2O₄薄膜界面微结构分析'>3.5 CoFe₂O₄薄膜界面微结构分析
• 3.5.1 界面失配应力释放与位错运动
• 3.5.2 界面层临界厚度的计算原理与实验观测
• 3.5.3 界面扩散弛豫的动力学过程
• 3.6 小结
• 2O₄异质外延薄膜中界面应力调制及其性能的研究'>第四章 CoFe₂O₄异质外延薄膜中界面应力调制及其性能的研究
• 4.1 引言
• 2O₄异质外延薄膜的结构控制与性能研究'>4.2 界面应力对CoFe₂O₄异质外延薄膜的结构控制与性能研究
• 2O₄薄膜异质外延生长的界面结构与应力分布'>4.2.1 正/负失配下CoFe₂O₄薄膜异质外延生长的界面结构与应力分布
• 2O₄异质外延薄膜磁晶各向异性的影响'>4.2.2 界面应力对CoFe₂O₄异质外延薄膜磁晶各向异性的影响
• 3/CoFe₂O₄异质外延薄膜中界面应力调制及其性能研究'>4.3 BaTiO₃/CoFe₂O₄异质外延薄膜中界面应力调制及其性能研究
• 3/CoFe₂O₄异质外延薄膜中的应力分布模型与计算'>4.3.1 BaTiO₃/CoFe₂O₄异质外延薄膜中的应力分布模型与计算
• 3/CoFe₂O₄异质外延薄膜的电磁性能研究'>4.3.2 界面应力调制作用下BaTiO₃/CoFe₂O₄异质外延薄膜的电磁性能研究
• 4.4 小结
• 1-xTi_x)O₃铁电氧化物薄膜取向生长控制及其界面特性的研究'>第五章 Pb(Zr_1-xTi_x)O₃铁电氧化物薄膜取向生长控制及其界面特性的研究
• 5.1 引言
• 1-xTi_x)O₃薄膜的取向生长控制及机理研究'>5.2 外延Pb(Zr_1-xTi_x)O₃薄膜的取向生长控制及机理研究
• 3缓冲层诱导Pb(Zr_1-xTi_x)O₃薄膜取向外延生长的研究'>5.2.1 LaNiO₃缓冲层诱导Pb(Zr_1-xTi_x)O₃薄膜取向外延生长的研究
• 1-xTi_x)O₃薄膜的界面结构与取向机理'>5.2.2 取向外延Pb(Zr_1-xTi_x)O₃薄膜的界面结构与取向机理
• 1-xTi_x)O₃薄膜铁电性能比较'>5.2.3 取向外延Pb(Zr_1-xTi_x)O₃薄膜铁电性能比较
• 1-xTi_x)O₃薄膜择优取向控制及机理研究'>5.3 多晶Pb(Zr_1-xTi_x)O₃薄膜择优取向控制及机理研究
• 1-xTi_x)O₃薄膜的择优取向生长规律'>5.3.1 晶化过程中Pb(Zr_1-xTi_x)O₃薄膜的择优取向生长规律
• 1-xTi_x)O₃薄膜的界面结构与取向生长机理'>5.3.2 晶化Pb(Zr_1-xTi_x)O₃薄膜的界面结构与取向生长机理
• 1-xTi_x)O₃薄膜的电畴与极化特性研究'>5.3.3 择优取向Pb(Zr_1-xTi_x)O₃薄膜的电畴与极化特性研究
• 5.4 小结
• 3铁电薄膜在GaAs基片上外延生长及其性能的研究'>第六章 BaTiO₃铁电薄膜在GaAs基片上外延生长及其性能的研究
• 6.1 引言
• 3/GaAs大晶格失配体系的生长与界面控制'>6.2 BaTiO₃/GaAs大晶格失配体系的生长与界面控制
• 3在MgO缓冲层上的生长规律及界面特性'>6.2.1 BaTiO₃在MgO缓冲层上的生长规律及界面特性
• 3在SrTiO₃缓冲层上的生长规律及界面特性'>6.2.2 BaTiO₃在SrTiO₃缓冲层上的生长规律及界面特性
• 3/SrTiO₃/GaAs中的界面应变层控制'>6.2.3 BaTiO₃/SrTiO₃/GaAs中的界面应变层控制
• 3铁电薄膜性能研究'>6.3 GaAs基片上的外延生长BaTiO₃铁电薄膜性能研究
• 3/SrTiO₃/GaAs异质结P-V特性'>6.3.1 BaTiO₃/SrTiO₃/GaAs异质结P-V特性
• 3/SrTiO₃/GaAs异质结ε-T特性'>6.3.2 BaTiO₃/SrTiO₃/GaAs异质结ε-T特性
• 3/SrTiO₃/GaAs异质结J-V特性'>6.3.3 BaTiO₃/SrTiO₃/GaAs异质结J-V特性
• 6.4 小结
• 第七章 主要结论与创新点
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间的研究成果及发表的学术论文
• 攻博期间已发表和待发表的论文
• 已授权和申请中的专利
• 个人简历