鈦酸鋇系鈣鈦礦結構薄膜的制備和性能.pdf

1、鈦酸鋇系薄膜材料由于其豐富的物理性能及廣泛的應用前景已成為功能材料與器件研究方面的熱點之一，研究核心就是將鈦酸鋇薄膜與半導體集成技術相結合，通過其鐵電、壓電、熱釋電、介電、電光及非線性光學等效應，發(fā)揮其在信號存儲、轉換、調制、開關、傳感等應用領域里的作用。由于納米材料的小尺寸效應及表面效應，薄膜表(界)面的晶格結構、化學形態(tài)和電子態(tài)成為決定薄膜性能的重要因素，而這些因素又直接影響著鈦酸鋇系薄膜的實際應用。本論文選擇鈦酸鋇及其摻雜鈦酸鋇薄

2、膜的溶膠-凝膠法制備、微結構物理和性質作為研究課題。主要工作如下： 1.用溶膠-凝膠法和快速退火工藝在SiO2/Si(111)基片上生長了鈣鈦礦結構BaTiO3薄膜。用X射線光電子能譜技術(XPS)和角分辨X射線光電子能譜技術(ARXPS)研究了薄膜的表面化學態(tài)以及最頂層原子種類和分布狀況，結果顯示在熱處理過程中薄膜表面形成一層富含BaO的非計量鈦氧化物層，并且鋇-鈦原子濃度比隨著探測深度的增大而逐漸減小。 2.研究了熔

3、石英襯底上BaTiO3薄膜的光學透射譜，并利用透射譜計算出了不同退火溫度下BaTiO3薄膜所對應的光學帶隙。發(fā)現(xiàn)BaTiO3多晶薄膜的光學帶隙大于文獻報導的單晶薄膜的光學帶隙，對于結晶性好的薄膜，其光學帶隙接近于單晶值，退火溫度越低，結晶性越差，與單晶的光學帶隙相差越大。這種差別主要是由量子尺寸效應和薄膜中存在的無定形相引起的。 3.采用溶膠-凝膠技術在SiO2/Si(111)和熔石英襯底上制備了等價離子摻雜(Sr2+和Pb2+

4、)的BaTiO3薄膜，并研究了不同摻雜比例對BaTiO3薄膜結構和性質的影響。結果表明：無論是摻鍶還是摻鉛，隨著摻雜量的增大，BaTiO3薄膜的結晶性都變得越來越好，衍射峰變得越來越尖銳，說明摻入鍶和鉛使樣品的晶化溫度降低。通過薄膜的光學透射譜計算出了摻雜BaTiO3薄膜的光學帶隙。在BaTiO3中摻入鍶，使BaTiO3薄膜的光學帶隙減小，這是因為當部分Ba2+被離子半徑較小的Sr2+取代時，引起晶胞體積收縮，最近鄰兩氧原子之間的間距減

5、小，進而使價帶頂升高的結果。同時，在BaTiO3薄膜中摻入鉛，使BaTiO3的晶格常數a減小，晶格畸變度(c/a)增大。Raman光譜測試顯示：當摻雜量達到0.4時，pb2+誘發(fā)了BaTiO3薄膜從贗立方相到四方相的相變發(fā)生。 4.采用溶膠-凝膠法在石英襯底上制備了具有良好結晶性的Ba1-xLaxTiO3系列薄膜，XRD測試表明隨著鑭摻雜量的增大，晶格常數先減小后增大，晶格畸變度δ逐漸減小。XPS測試表明樣品中存在Ti3+離子，