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本论文主要研究了取向和外延生长的钛酸锶铅(PST)介电可调薄膜和铌酸锶钡(SBN)光波导薄膜的制备工艺条件以及相关的物理性能。在实验中,主要采用了两种薄膜制备方法,包括溶胶-凝胶法(Sol-gel)和脉冲激光沉积法(PLD)制备铁电薄膜材料。用X-ray Diffraction(XRD)、Scanning Electron Microscope(SEM)、Ultraviolet Rays(Uv)、Agilent4294A、Agilent8453阻抗分析仪和棱镜耦合仪等分析了钛酸锶铅和铌酸锶钡薄膜的微观结构、介电性能、光学性能和电光性能。根据实验结果,研究了薄膜取向和外延生长的形成原理,探讨了薄膜的结晶规律,通过控制薄膜的取向和外延生长,改善薄膜的物理性能,为高性能铁电薄膜在微电子、光电子以及集成光学等领域的应用打下坚实的基础。本文的具体研究内容及研究结论如下:
1.溶胶-凝胶法取向钛酸锶铅薄膜的结构和性能研究(1)研究了热处理条件和Tb掺杂PbTiO3(PTT)缓冲层的引入对取向钛酸锶铅薄膜晶相形成的影响。在制备取向钛酸锶铅薄膜时,主要受两方面的影响:一方面,PTT缓冲层的引入,可以使PST薄膜中的激活粒子在自由析晶过程中,受到PTT的诱导层的作用,迁移并调整到(100)晶面上,使薄膜取向生长;另一方面,不同热处理温度会影响PST薄膜中激活粒子的动能,在较高的热处理温度可以提供给薄膜中激活粒子更高的能量,使其更加容易克服非取向生长势垒并迁移调整形成晶相,有助于晶体中晶相的形成和薄膜的取向性提高。在本实验中,600℃温度条件下就可以在PTT诱导层上形成晶相完整、取向程度很高的PST薄膜,且薄膜的晶相含量要大于非取向La掺杂和Mg掺杂的PST薄膜。
(2)研究了热处理条件和PTT缓冲层的引入对取向钛酸锶铅薄膜介电性能的影响。其中,PTT薄膜与PST薄膜结构相似,可以与PST薄膜很好地匹配,从而减小了PST薄膜与。ITO/玻璃基板之间的应力,减少薄膜内部缺陷。此外PTT薄膜可以作为诱导层,使得PST薄膜在ITO/玻璃基板上取向生长,薄膜的晶相含量增加且更加完整,薄膜的介电性能也大幅提高。另一方面,较高的热处理温度也有助于薄膜介电性能的提高。根据这些研究结果,对600℃温度条件下取向和非取向的PST薄膜的研究表明,在同样的外加偏压范围内,取向生长的PST薄膜比非取向的PST薄膜的介电可调性显著提高了85％,介电损耗也减小到了0.08。同时,取向生长的PST薄膜的最大优值(FOM)为14.25,没有PTT缓冲层的PST薄膜的最大优值为7,前者比后者提高了一倍以上。与非取向La掺杂和Mg掺杂的PST薄膜相比,取向PST薄膜的优值分别是二者的3～8倍和9～28倍,显示出更加优异的介电可调性能。
2.脉冲激光沉积法外延钛酸锶铅薄膜的结构和性能研究(1)研究了实验条件和镍酸锂(LNO)缓冲层的引入对外延钛酸锶铅薄膜晶相形成的影响。实验表明,在选择适合的衬底温度以及氧分压时,如衬底温度高于730℃,氧分压为200mTorr,可以在MgO衬底上得到高择优取向的PST薄膜。随着衬底温度的升高,提供给原子的能量也增加,原子具有的较高的活性,在析晶过程中很容易受到基板的诱导,迁移调整到(100)晶面并形核生长,因此薄膜的取向性也越好。在上述薄膜与基板间引入的LNO薄膜兼具底电极的缓冲层的作用,由于LNO缓冲层的品格常数介于MgO基板与PST薄膜之间,因此起到了减少PST薄膜与MgO基板之间应力的作用,使得制备得到的PST薄膜的取向性更好,薄膜更加完整,质量更好。
(2)研究了LNO缓冲层的引入对外延钛酸锶铅薄膜介电性能的影响。引入的LNO薄膜受MgO单晶基板的诱导,也为(100)方向取向生长,且兼具导电电极和外延生长传递的功能。此外作为缓冲层,LNO的晶格常数介于MgO基板与PST薄膜之间,既可以与MgO基板很好地匹配,也可以与PST薄膜很好地匹配,因此起到了减少PST薄膜与MgO基板之间应力的作用。这使得制备得到的PST薄膜的取向性更好,薄膜更加完整,质量更好,介电性能也有了很大提高。制备条件为衬底温度780℃,氧分压为200mTorr的情况下,加入LNO缓冲层后,在相同的外加偏压下(-20v～20v),钛酸锶铅薄膜在100kHz下的介电可调性由40％提高到70％,介电损耗由0.1下降到0.06,优值FOM由10.1提高到14.3。
3.脉冲激光沉积法外延铌酸锶钡薄膜的结构和性能研究(1)采用PLD法,在覆有LNO底电极缓冲层MgO(001)基板上成功制备了外延生长的SBN60薄膜。在选择适合的衬底温度以及氧分压,如衬底温度高于750℃,氧分压为200mTorr,可以在MgO衬底上得到高择优取向的SBN60薄膜。SBN薄膜和LNO/MgO基板在结晶方向上呈现循环对称性,为外延生长关系,但是呈现一定的生长角度,可以表示为SBN薄膜、LNO薄膜与MgO基板为SBN(001)‖LNO(220)‖MgO(220)和SBN(001)‖LNO(710)‖MgO(710)外延生长。
(2)对SBN薄膜的光学带隙进行了测量,测得SBN的光学带隙为3.85eV。同时,利用棱镜耦合仪对SBN薄膜的折射率进行测量,SBN薄膜的寻常光,no的有效折射率(nTE)和异常光ne的有效折射率(nTM)分别2.1843和2.1684。对LNO薄膜的光学带隙进行了测量,测得LNO的光学带隙为3.6eV。同时,对LNO薄膜的折射率进行测量,当波长从800nm减小到350nm时,折射率从1.75增加到1.81。制得的LNO薄膜的折射率远远小于小于SBN单晶薄膜的折射率,因此以SBN/LNO/MgO基板为结构的样品可以实现SBN薄膜在光波导领域的应用。
(3)结合样品制作工艺的特点和实验室现有条件,选用改进的简单反射法测量SBN薄膜的纵向电光应用与光轴平行方向电场对应的电光系数分量γ33。用1/4波片取代昂贵的补偿器,调节静态工作点处于线性工作区,对采用简单反射法计算SBN薄膜纵向电光系数的公式进行详细的推导。利用上述搭建的测试系统,对制备的SBN/LNO/MgO结构的薄膜样品进行了测试,测试结果显示SBN薄膜的纵向电光应用与光轴平行方向电场对应的电光系数分量γ33为186.61pm/V,这使得新型结构的SBN薄膜成为一种理想的光波导材料。