钛酸锶钡铁电复合薄膜的生长机理、结构及性能研究

采用磁控和脉冲激光共溅射法制备0－3维、1－3维结构BST:MgO铁电复合薄膜，结合透射电子显微分析和X射线衍射等技术，详细研究沉积工艺（如：氧氩比、沉积温度、沉积功率）对BST:MgO复合薄膜的结构（颗粒形状、尺寸、密度等）的影响，探讨BST:MgO复合薄膜生长机理。研究复合薄膜的微结构对其相关性能（调制度、介电损耗、介电常数、漏电流）的控制作用。建立铁电复合薄膜生长工艺-微结构-物理性能的关系，全面揭示沉积工艺、基片对铁电复合薄膜的结构、界面、颗粒尺寸等影响的规律，为铁电复合薄膜物性的剪裁（通过组分选取、比例、微结构的调整）开辟新的途径。本项研究的完成有助于我们实现纳米复合薄膜结构设计和可控制备，揭示不同结构复合薄膜生长机理，建立和发展复合薄膜材料制备新技术，促进BST薄膜微波器件的发展。该课题关于磁控与脉冲激光共溅射方法可控制备铁电复合薄膜的研究国内外未见报导。

掺杂可以有效改善薄膜的结构和性能，理论上已经预言了介电－铁电复合材料的优点，指出1-3维结构微波铁电薄膜具有更大吸引力，实验上已经证实了在铁电钛酸锶钡(Ba,Sr)TiO3(BST)薄膜中掺杂MgO的0-3型BST：MgO复合薄膜确实可以提高材料的介电性能、降低材料的介电损耗。但是，由于制备方法的限制，实验上有关1-3维结构BST复合薄膜报道未见报道。本项目完成申报书所诉的研究内容，获得了一些有意义的研究结果。采用磁控溅射和脉冲激光共沉积方法，首次成功制备了1-3型尺度和结构可控的纳米BST：MgO复合薄膜的制备。研究发现掺杂可以调整微波器件的调制度和介电损耗，通过优化条件，获得了高调制度和低介电损耗的制备BST：MgO复合薄膜沉积参数。采用磁控溅射和脉冲激光共沉积方法，成功制备了0-3、1-3型的BiFeO3：Pb(Zr,Ti)O3、(Ba,Sr)TiO3:CoFe2O4 复合薄膜。在Pt/TiO2/SiO2/Si(001)衬底上制备了Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜，研究了沉积温度对薄膜结构和性能的影响。650 °C沉积样品的最大介电常数为260，在-417 kV/cm电场下，介电损耗、调制率和漏电流密度分别为0.055、23％和2.9×10-5A/cm2。制备了外延的Pb(Zr0.4Ti0.6)O3/La0.5Sr0.5CoO3/SrTiO3异质结，构架了Pt/LSCO/PZT/LSCO/STO电容器，研究了La0.5Sr0.5CoO3底电极退火氧压对Pb(Zr0.4Ti0.6)O3电容器结构和性能的影响。结果表明，Pb(Zr0.4Ti0.6)O3电容器极化强度随La0.5Sr0.5CoO3底电极退火氧压的减小而减小。由于氧空位的影响，随着La0.5Sr0.5CoO3底电极退火氧压的减小，电容器的疲劳特性越来越严重。应用反应脉冲溅射沉积技术在Si基片上采用两步法生长了Ti-Al-O薄膜，通过溶胶-凝胶法在Ti-Al-O/Si和Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备了PZT薄膜，构架了Pt/PZT/Pt电容器和Pt/PZT/Ti-Al-O/Si MFIS结构。实验发现，550 ℃退火的PZT薄膜的剩余极化强度较大，漏电流密度较小。