多場作用下BST薄膜的相變及疇翻轉(zhuǎn)機(jī)制分析.pdf

1、由于具有優(yōu)良的性能，如鐵電性、壓電性、介電性、熱釋電性以及非線性光學(xué)等物理特性使得鐵電薄膜材料成為當(dāng)前新型功能材料研究熱點(diǎn)之一。這類材料在現(xiàn)代微電子、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、信息存儲等方面有著廣泛的應(yīng)用，必將成為未來微電子器件行業(yè)的材料支柱。鐵電薄膜的鐵電疇結(jié)構(gòu)及其疇變規(guī)律決定著鐵電體的物理性質(zhì)和應(yīng)用方向。在鐵電體的研究熱潮中，鐵電疇是科研工作者關(guān)心的重點(diǎn)之一，研究者主要從實(shí)驗和理論模擬兩個角度出揭示其疇變機(jī)理。在實(shí)驗上，壓電力顯微鏡（

2、PFM）是重要的實(shí)驗儀器之一，利用它來觀測鐵電薄膜的疇變過程，由于該手段方法的實(shí)用性，已發(fā)展成為研究鐵電電疇結(jié)構(gòu)及其疇變演化的主要實(shí)驗手段。理論上，非線性熱力學(xué)理論是研究鐵電相變的主要理論方法之一。盡管通過實(shí)驗和理論手段對鐵電薄膜相變和疇變機(jī)制進(jìn)行研究已有了大量報道，但仍存在研究瓶頸：第一，復(fù)雜場對于鐵電薄膜相變的影響鮮有報道，而在實(shí)際情況下電子器件的工作環(huán)境較為復(fù)雜，因此需要結(jié)合器件的實(shí)際工作環(huán)境建立多場模型。第二，在PFM實(shí)驗上觀測

3、到的薄膜單晶區(qū)域一般呈現(xiàn)的是更為復(fù)雜的多疇結(jié)構(gòu)而不是簡單的單疇?wèi)B(tài)，而傳統(tǒng)的單晶單疇理論模型不能準(zhǔn)確的來解釋這些真實(shí)的實(shí)驗現(xiàn)象，因此本文基于PFM觀測到的多疇疇變過程，建立非線性非力學(xué)理論模型，將實(shí)驗與理論結(jié)合起來研究鐵電材料的疇變和相變機(jī)制。本論文的主要內(nèi)容如下：
　　(1)利用朗道徳文希爾理論，建立非線性熱力學(xué)模型研究了外延生長在正交基底的(BaxSr1-x)TiO3(BST)薄膜相圖以及物理特性。通過定量計算面內(nèi)失配應(yīng)變，引進(jìn)

4、了一個各向異性失配應(yīng)變因素u(u=S1/S2)，我們稱之為失配應(yīng)變比。將這個比值帶入到模型中進(jìn)行計算，得到了Ba0.5Sr0.5TiO3（BST50）和Ba0.6Sr0.4TiO3（BST60）薄膜的“失配應(yīng)變比-溫度”相圖和介電曲線。從我們的理論模擬結(jié)果中，我們發(fā)現(xiàn)了失配應(yīng)變比的改變可以導(dǎo)致薄膜發(fā)生鐵電相變。且失配應(yīng)變比變?yōu)檎担瑫T發(fā)四方aa相更加穩(wěn)定。
　　(2)通過改進(jìn)了正交基底上的熱力勢函數(shù)，分別研究了立方基底上BST5

5、0鐵電薄膜在力場和電場同時作用以及溫度場和電場同時作用下的相圖及物理特性。首先，我們得到了力電共同作用下的電場-失配應(yīng)變相圖；其次，進(jìn)一步研究我們又計算出了溫度電共同作用下的電場-失配應(yīng)變相圖以及介電曲線。在力電共同作用下的相圖，我們可以看出，隨著力場的加入，原本只有單一電場影響的相圖相區(qū)域會發(fā)生改變，力場的增大會是薄膜更易處于僅含一個面內(nèi)極化的四方相a1c2，并且在壓應(yīng)力作用下會出現(xiàn)新相順電相，它的區(qū)域會隨著壓應(yīng)力的增大而增大。在溫度

6、電共同作用下的相圖，我們可以發(fā)現(xiàn)溫度的變化能極大的影響相圖的區(qū)域分布，并且溫度越高時，越易形成順電相；最后討論了溫度電共同作用對鐵電薄膜材料介電和壓電系數(shù)的影響，施加合適的溫度和電場有助于提高薄膜介/壓電性能。
　　(3)對傳統(tǒng)的單晶單疇模型進(jìn)行改進(jìn)并結(jié)合電場下觀測BST50的壓電相位圖，推導(dǎo)出了適用于外電場作用下的單晶多疇模型。經(jīng)過模擬計算，得到了室溫下生長在立方基底上的BST50鐵電薄膜失配應(yīng)變-外電場相圖。從模擬結(jié)果圖中可以

7、看出，外電場和失配應(yīng)變的改變都會導(dǎo)致相區(qū)域的改變，如新相的生成或相的消失。相圖中，模擬出現(xiàn)的相以及相變的外場閾值和實(shí)驗觀測的相位圖相吻合，出現(xiàn)了不同電壓觀測下的幾種多疇?wèi)B(tài)：(1)三疇?wèi)B(tài)：c2/ac/aa疇；(2)二疇?wèi)B(tài)：r1/c2疇和c2/aa疇；(3)單疇?wèi)B(tài)：c疇。并在電場的改變下使得不同疇?wèi)B(tài)之間發(fā)生疇轉(zhuǎn)變，分析可得到BST50薄膜在外加電場作用下鐵彈疇變閾值為-120 kV/cm,-420 kV/cm和-690 kV/cm。這些理論