磁控溅射制备PMNT薄膜微结构及性能分析

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随着铁电薄膜制备技术的不断发展,铁电薄膜器件的集成化、微型化开始成为研究的热点。铁电薄膜器件与铁电单晶、陶瓷器件相比,不仅响应速度快、灵敏度高,而且易于小型化和阵列化。Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT、PMNT)因具有良好的介电、铁电、热释电特性,被广泛的应用于各种铁电器件中。但PMNT薄膜制备温度较高、焦绿石相难以去除、结晶取向不易控制还不能大规模的应用于铁电器件。因此,本论文主要对0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTi O3(PMN-0.3PT)铁电薄膜展开工艺研究,研究内容包括PMNT薄膜的制备、结构单元的光刻、材料性能和电学性能的表征。实验需要获得PMNT薄膜结构单元进行电学性能测试,使用(100)硅片作为基底,制备SiO2热绝缘层、TiO2缓冲层、Pt下电极层、LSCO外延层、PMNT铁电薄膜,NiCr吸收层、Au上电极层。采用射频磁控溅法射制备的PMNT薄膜,改变薄膜制备工艺条件,研究基底生长温度、退火温度,退火时间对薄膜的材料特性和电学特性的影响,主要研究结果如下。在薄膜材料性能方面:(1)LSCO外延层薄膜不仅具有良好的导电性,还可以对PMNT结晶取向进行控制。在LSCO生长温度为575℃,氩气和氧气流量比为16:4时,薄膜具有较低的电阻率约1.45×10-5?·cm,这与Pt底电极测得的电阻率1.36×10-5?·cm相近,并且薄膜具有明显的(100)取向。(2)PMNT材料特性受退火条件、基底温度、有无外延层等因素的影响。以LSCO为外延层,当衬底生长温度为500℃,在600℃下退火10min,PMNT薄膜SEM测试具有均匀、致密的微观晶粒形貌,XRD测试PMNT薄膜具有(100)取向的纯钙钛矿结构。在单元制备及电学性能方面:(1)采用光刻技术进行结构单元制备,把结构单元最小线宽作为实验对象,研究AZ-5214型光刻胶关键工艺参数。在曝光13s、后烘120s、显影90s时,获得的光刻电极线条清晰、显影区域胶体无残留。(2)PMNT薄膜电学特性,如铁电,介电、漏电受退火因素的影响,退火后薄膜具有更高的剩余极化、更小的漏电流、更高的介电常数,更小的介电损耗。实验测得退火后PMNT薄膜的介电常数为230、介电损耗为0.05、剩余极化为16uC/cm2
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