激光分子束外延生长BaTiO-%2c3-薄膜X射线非对称摇摆曲线研究.pdfVIP

激光分子束外延生长BaTi03薄膜的 x射线非对称摇摆曲线研究 赵彤陈凡李春苓吕惠宾杨国桢陈正豪 f中国科学院物理研究所，中国科学院凝聚态物理中心，北京，100080) 由于在永久性记忆器件、热释电器件、薄膜电容器及电光器件方面的重 耍应用前景，BaTiO，(BTO)铁电薄膜材料受到了越来越广泛的关注。 我们用激光分子束外延(L—MBE)方法，在反射式高能电子衍射(RHEED) 的实时监控下，牛长了不同厚度的BTO薄膜。原子力显微镜f删)、高分辨 光滑表面，界面清晰，结构完整。x射线非对称摇摆曲线分析表明，所制备 的BTO薄膜为C轴取向的四方相结构，c／a随薄膜厚度的减小面增加。 BI 陶瓷靶材上，生长速率约为00I nm／pulse。生长中使用RHEED作实时监控。 生长中可观察到清晰而明锐的RHEED衍射斑，以及振幅不衰减的心也ED 和400nm的BTO薄膜。 AFM分析表明，用L-MBE生长的BTO薄膜具有原子量级的光滑表面， I 在loum×10btm的范围内表面均方根粗糙度达到0r／m左右。截面I-IRTEM 分析表明，BTO薄膜各原胞层界面清晰，结构完整，其原胞层数与RHEED 强度振荡周期相吻合。 对生长的BTO薄膜进：厅了x射线衍射(XrD)研究。0—20扫描结果表明， 这表明BTO薄膜是取向一致的单相结构。其沿薄膜法线方向的晶格常数在 04090rim和04220nm之间。因为B 7FO体单晶在四方相时晶格常数非常接近 fa=O3990nm，c-0 0—20扫描还无法确定BTO薄膜是C 4036nm)，仅凭XRD 轴还是a轴取向。 为确定BTO薄膜的取向，我们对其进行了XRD非对称摇摆曲线【21研究， 其原理如卜．：设BTO溥膜在沿薄膜法线和垂直于法线方向的晶格常数分别为 c和a， 110 重复(1)中步骤，得到另一角度差，记为03：。如果薄膜是c轴取向的，贝JJco，= ∞，90。：如果薄膜是a轴取向的，则(I)。和co：中～个等于90。，另一个小于90。。 因而我们可以通过co．，co，的取值，判断游膜的取向，而c／a也可通过 瞎@l／2)或tg(^02／2)计算得出。 测试表明，膜厚分别为10nm． ∞ 40nm，90rim和400nm的BTO薄 膜均为c轴取向。图1为计算得到 ∞ 的c／a与薄膜厚度的关系。膜厚为 {宝 400rim时，c／a=l021接近于BTO ∞ 体单晶的c／a=l0ll。随膜厚减小， 舛 c／a逐渐增大。当薄膜厚度为10nm 时，c／a=l078已远大于体材料的 ∞ 值。 j；1 会! BTO薄膜c／a随膜厚的变化， 可以用BTO薄膜与STO衬底问的 品格失配来解释。BTO与STO的 图I c／a与薄膜厚度的关系 a轴长度分别为0．3990nm和 压应力作用，a轴被压缩，相应地，c轴伸氏．因而c／a提高。此失配应变 产生于BTO与STO的界萌处．随离界面处距离的增加，应变逐渐弛豫。显 然，膜厚越薄受应变影响越大，c／a也越人。 参考文献 Chert 【1]YangGuozhen，LuHuibin，ZhouYueliang，LeiZhenlin，andZhenghao， ACTAPHYSICA SINICA(OverseasEdition)，7(8)，623—627(】998) Min Ku，and [2]YoungKang，JaKang SunggiBalk，J．