KNN外延薄膜的制备与性能研究.pdf

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1、中国科学技术大学硕士学位论又KNN外延薄膜的制备与性能研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：李元行凝聚态物理吴文彬教授三零一四年五月UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationforMaster’SdegreeIIIlllllIIIIlllIIIIllllIIIY2589929StudyonthepreparationandpropertiesofepitaxialKNNthinfilmAHthor’SName：Speciality：Supervisor：Finishe

2、dtime：YuanhangLiCondensedMatterPhysicsProf．Wenbin所，May,2014中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：垄己{主签字日期：趁!垡：丛!趁中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学

3、校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。口公开口保密(——年)作者签名：盔查煎签字日期：型垒。匹盖星剔嗽．廉彬翩签名：缢堡签字日期：兰壁!垡．￡：皇卓U摘要铁电薄膜同时具有铁电性与压电性，因在微电子器件设计中拥有巨大的应用潜力而倍受关注。铁电薄膜已被提出可用于构造铁电电容器、铁电场效应管和非

4、挥发性铁电存储器等电子器件，而高质量铁电薄膜的获得是其性能研究与应用的前提。随着薄膜制备方法的改进以及设备的改良，可以通过多种手段获得高质量的铁电薄膜。其中，脉冲激光沉积(PLD)方法被广泛应用于复杂氧化物薄膜的外延制备，因为采用该方法可以获得与靶材组分相近的薄膜，且制备工艺参数简单并可调，容易制备出高质量的薄膜。复杂氧化物薄膜的制备多采用该方法，通过优化沉积氧压和温度可以获得接近化学计量比的薄膜，且薄膜厚度可通过沉积时间精确控制。通过掺杂铌酸钾钠(1(1叮№陶瓷压电性能得到了显著提升，有望发展成为传统PZT压电材料的替代者之一。掺杂

5、改性后的KNN陶瓷可能同时拥有高的压电常数，良好的热稳定性以及饱和的铁电电滞回线。虽然持续有KNN薄膜性能研究的报道，但与KNN陶瓷研究相比，性能优越的新KNN陶瓷，其相应组分薄膜的研究比较缺乏且无法及时跟迸。KNN薄膜制各过程中，由于A位碱金属离子易挥发而偏离化学计量比导致次相的出现，这是目前复杂组分KNN薄膜制备中最大的困难。本文采用脉冲激光沉积方法，研究了沉积氧压和沉底温度对KNN薄膜的介电和铁电性能的影响，并通过电导模型进行线性拟合，分析其主要电导机制随电场强度增强的转换规律。制备得到不同电极构型的KNN薄膜电容器，研究了其介

6、电性能、铁电性能以及疲劳行为。本论文共分为四章。第一章本章主要分为三个部分：首先，简单概括了压电体和铁电体的概念以及一些重要常数的物理意义；其次，介绍T(K．Nal_。)Nb03陶瓷的组分相图以及掺杂改良的研究现状，通过掺杂KNN陶瓷压电和铁电性能可以得到提升，且具备更好的热稳定性；最后，详细介绍了KNN薄膜的制备方法以及性能研究的进展。第二章在(001)SrTi03(STO)单晶衬底上，采用氧压优化后的La0．781"0．3M1103(LSMO)薄膜作为底电极，在不同氧压和沉积温度制备得掺杂2wt％Mn02的0．95(Ko．49Na

7、o．49Lio．02)(N‰，8Tao．2)03．0．05CaZr03(KNN)薄膜。接着利用XRD和摘要SEM对KNN薄膜结构进行表征，分析沉积氧压和温度对KNN薄膜结晶性的影响。然后测试并分析了沉积氧压和温度对KNN薄膜介电和铁电性能的影响，最优沉积参数为35Pa和680oC。最后我们对薄膜的漏电流采用不同的电导机制进行拟合，拟合结果表明薄膜随着电场增强，欧姆接触、SCLC和PF依次成为主要的电导机制。第三章采用LSMO、Lao．07Sro938n03(LSSO)和掺Nb的STO(№：STo)为底电极，分别制备得高质量的Pt／KN

8、N／Nb：STO、Pt／KmI／LSSO／STo、Pt／KNN／LSMO／STO和Pt依NN／LSSO／LAST电容器。KNN电容器的介电和铁电性质研究表明，底电极为LSMO的电容器存在较大的介电损耗，但却拥有更大的极化