铁电薄膜应力的x射线衍射表征与研究

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1、摘要铁电块材因其具有可将电信号、机械信号和热信号之间相互转换的特征而在通信、导航、精密测量、信息存储等领域得到广泛的应用。但是这些铁电块材器件往往由于相对较大的尺度、较低的断裂韧性和较小的应变而使其应用受到限制。随着微电子技术与集成电路技术的迅猛发展，人们需要将具有大块铁电材料的性能的薄膜材料利用现代复合技术将不同功能的微尺度材料复合到一块集成板上，构成具有各种优异性能的复合材料体系。通常薄膜材料具有比其块材更高的能量密度、更大的应变能力以及更快的响应时间。因此，铁电材料的性能与制备的研究是目前国际上广为关注

2、的重要课题之～。然而铁电薄膜在制备过程中会经历一个由高温到低温的过程，薄膜与基片之间存在着晶格失配、热失配等，薄膜中必然存在一定的残余应力。薄膜中的残余应力可能会造成薄膜的开裂、表面形成小丘凸起或翘曲，导致铁电薄膜器件失效。另一方面，如果人们能够对薄膜应力的产生机制有较深刻全面的理解，就可能通过适当的制各手段来利用薄膜与基片间的应变效应来调制和提高薄膜的性能。因此，铁电薄膜中的应力研究是关于铁电薄膜的制备和性能研究的重要内容。本文首先在引言部分对铁电薄膜的应用背景、制备方法以及目前铁电薄膜内残余应力的研究现状

3、进行了评述。基于此，提出了本文的选题依据，即研究铁电薄膜中的残余应力是基于“铁电薄膜的重要应用背景和残余应力对铁电薄膜性能的可能影响以及目前铁电薄膜中残余应力研究的不足”。随后对目前常用的铁电薄膜应力测试方法进行了回顾与比较，由于X射线衍射的无损检测特性以及较高的精度，选择了x射线衍射作为铁电薄膜应力表征的主要手段。本文的重点是利用双位向、sin～、高分辨倒易空间图三种不同的x射线衍射应力测试方法分别对高度织构Pt／Ti电极薄膜、多晶PzT铁电薄膜、LaAl03／BaTi03外延铁电超晶格薄膜中的应力进行了的

4、表征，本文不仅利用x射线衍射应力测量的传统方法测量了PzT多晶铁电薄膜中的残余应力，而且将双位向、倒易空间图的方法成功应用于高度织构Pt／Ti电极薄膜以及I．aAl03／BaTi03外延铁电超晶格薄膜的应力测量，并对薄膜中的应力与薄膜的微结构、以及性能之间的关系做了细致的讨论，在对Pt／Ti电极薄膜的研究中发现Ti原子的扩散会直接影响到Pt薄膜中的残余应力，而且对PZT薄膜的结晶取向起了一定影响作用。在对PZT铁电薄膜中残余应力的研究中首次发现薄膜中的应力状态为三轴应力而不是双轴应力，并且用氧空位理论成功解释

5、了薄膜中残余应力的成因。在对LaAl03，BaTi03外延铁电超晶格薄膜的应力研究中发现IJaAl03顶层结构的应用可以有效地减少超品格中的缺陷密度并降低表界面粗糙度使由于晶格失配引入的外延应变保存在超晶格内部，从而明显的提升了LaAlOa／BaTi03铁电超晶格的铁电性能。这些研究结果进一步充实了铁电薄膜应力研究的内容。关键词：铁电薄膜，残余应力，应变效应，x射线衍射，倒易空间图IIABSTRACTAbstractFerroelectricbulkceramicshavebeenwidelyusedinma

6、nyfieldsassensordevices，andactuatordevicesbecausetheycantransferthefollowinginformationintoeachother：mechanicalinformation,electronicinformation，thermalinformation，eta1．Mostofthethesedevicesarelimited，however,bylargerelativedimensions，lowfracturetoughness，a

7、ndsmallstrains．Therefore，oneneedsitsthinfills，havingthesamepropertiesasthebulkferroelectricceramicswiththerapiddevelopmentofthemicroelectronicsandcircuitintegrationinthenewcentury．Ingeneral，thinfilmshavehigherenergydensities，largerstraincapabilities，andmore

8、rapidresponsetimesthantheirbulkcounterparts．Thus．ferroelectdcthinfilmshaveattractedgreatattentionsaUovertheworld．DuetothelatticemismatchandthermalmismatchbetweentlIethinfilmandthesubstrateandtheprocass