鈦酸鍶薄膜的相變與光學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、本文的主要內(nèi)容為鈦酸鍶（SrTiO3）鐵電薄膜的相變與光學(xué)性質(zhì)。SrTiO3在動態(tài)隨機(jī)存儲器、超導(dǎo)體和微納米電子學(xué)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，故其相變和光學(xué)性質(zhì)研究顯得非常重要。 首先，概述鐵電薄膜相變的宏觀和微觀理論，重點(diǎn)介紹“軟模理論”。然后介紹了顯微Raman光譜、光致發(fā)光光譜（PL）、橢圓偏振光譜和原子力顯微鏡（AFM）等實(shí)驗(yàn)的基本原理及測量儀器。將用到以下實(shí)驗(yàn)儀器：顯微Raman/PL光譜儀（Jobin Yvon LabRa

2、m HR 800UV）、變角度變波長橢圓偏振儀（W-VASE with AutoRetarderTM型）和掃描探針顯微鏡（Nanoscope E）。 其次，對SrTiO3薄膜的光學(xué)性質(zhì)研究現(xiàn)狀作一個綜述，總結(jié)了最近關(guān)于SrTiO3的鐵電相變與晶格振動的關(guān)系、鐵電-順電相變溫度（TC）的調(diào)節(jié)、退火過程及圖像和光致發(fā)光起因等的研究。針對目前的研究現(xiàn)狀，把本文工作重點(diǎn)集中在以下幾個信息還比較缺乏的方面：退火溫度（TA）對TC的影響，在

3、氧氣中高溫恒壓退火時樣品中間層和表面的情況，以及PL帶邊輻射（NBE）的物理起因等。 然后，詳細(xì)研究了SrTiO3超薄膜的TC隨TA變化的規(guī)律，并分析其可能原因。樣品用分子束外延方法生長在硅襯底上，并在恒定的氧氣壓強(qiáng)、不同的退火溫度下完成退火。通過紫外Raman光譜儀，觀察其從83K到室溫范圍內(nèi)某一聲子峰（該峰可用來表征鐵電相的存在）的峰強(qiáng)、峰位變化行為，從而發(fā)現(xiàn)TC隨著TA升高而升高的規(guī)律?？紤]中間層在退火過程中的結(jié)構(gòu)組分變化

4、，計(jì)算得出TC隨著熱壓應(yīng)變的增大而線性增大的結(jié)論。該工作表明通過應(yīng)變來調(diào)節(jié)SrTiO3達(dá)到其在室溫下處于鐵電狀態(tài)，不僅可以采用新襯底（如DyScO3），也可以采取可控的快速退火來具體實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)工作為方便地調(diào)整SrTiO3薄膜的相變溫度提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，對于SrTiO3材料的器件設(shè)計(jì)是必要的。 最后，通過分析不同TA對PL峰強(qiáng)度的影響，探討SrTiO3鐵電薄膜發(fā)光機(jī)制問題。我們著重研究樣品PL光譜中3.2eV附近的NBE藍(lán)光輻射隨外

5、界溫度變化和隨TA變化的行為特征，證明提高表面粗糙度有助于增大NBE藍(lán)光輻射。表面粗糙度可由橢圓偏振實(shí)驗(yàn)擬合得到，也可由AFM實(shí)驗(yàn)觀察得到，我們發(fā)現(xiàn)：表面粗糙度、氧空位與NBE峰強(qiáng)呈正相關(guān)關(guān)系，其基本原理是缺陷引起的電子-空穴對復(fù)合（或自陷激子模型）。我們還發(fā)現(xiàn)，NBE強(qiáng)度隨薄膜熱應(yīng)變的增大而增大，說明熱應(yīng)變與光致發(fā)光可能存在一定聯(lián)系。這項(xiàng)工作為進(jìn)一步探究PL發(fā)光起因提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 以上研究部分得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（