多畴铁电薄膜的非本征压电性能的研究

本课题针对如何提高铁电薄膜压电性能的技术挑战，利用薄膜弹性畴理论,应变工程和射频磁控溅射外延生长技术优化铁电薄膜中的自组装多畴结构，实现铁电多畴薄膜的可控制备，并利用压电力显微镜，X光以及透射电镜技术对薄膜中的多畴结构进行表征，使其在外加电场下能够提供充分，稳定和可逆的非本征压电效应，从而极大的提高铁电薄膜的有效压电系数。本课题具有重要的科学与实用价值，将促进科学界对铁电薄膜压电效应的深入理解，以及扩大其作为传感器材料在压电元器件领域，尤其是微电子机械系统中的应用。

对铁电薄膜非本征压电效应的控制和利用，可以帮助扩展其应用范围，特别是在微电子机械系统中的应用。 本项目的研究，集中在探讨异相多畴结构的形成机制，多畴结构非本征压电效应的量化研究，以及多畴结构铁电薄膜的制备和性能研究三大方面。 在异相多畴形成机制方面, 我们证明，通过用不同的单晶基体以及改变薄膜生长厚度的方法来调节外延应变，铁酸铋外延薄膜的平衡相结构会由单相的类菱方相结构过渡到异相多畴结构，同时我们计算得出了多畴结构界面与外延薄膜的结晶学取向关系。并研究了多畴比例随外延应变的变化关系。 在这些研究的基础上，我们预测了在同一基体上随薄膜厚度变化时，在位错和多畴结构两种应力松弛方式的共同作用下，多畴结构稳定性的演变及其比例的变化。 这些理论成果与在不同基体上生长的铁酸铋薄膜中观测到的实验现象相吻合，并在优化设计弹性多畴铁电薄膜方面帮助我们建立了一个牢固的理论基础。 在非本征压电效应方面,我们研究了畴壁移动对于铁电薄膜介电和压电性能的贡献，并系统地进行了薄膜本征压电性能的理论研究。 在低移动性和高移动性多畴畴壁两种情况下, 我们获得了多畴薄膜压电系数和介电系数的解析解。 在此基础上，我们成功地分离出畴壁移动对外延薄膜压电性能的非本征贡献。 在多畴铁电薄膜的制备方面，我们使用同轴溅射与离轴溅射相结合的实验方法, 以及导电氧化物电极技术，通过对溅射功率、生长温度和冷却速率等核心工艺参数的调控，成功地制备了钛酸钡和铁酸铋多畴外延薄膜。 这些薄膜的铁电回线形状饱满，漏电流较小。 外延钛酸钡薄膜的压电力系数e31,f测试值达到约1C/m2, 在硅上生长的钛酸钡薄膜d33>100pm/V, 其中非本征压电贡献达到三分之一左右。另外，我们还完成了Bi(Zn0.5Ti0.5)O3掺杂锆钛酸铅薄膜材料的研究，并证明非本征效应对该材料增强的压电性能贡献有限。