杨斌—开题报告.doc

PSTM薄膜的介电性能研究 学 生：杨 斌 指导教师：孙小华 （三峡大学 机械与材料学院） 1 课题的来源 本课题来源于湖北省自然科学基金项目。 2 研究的目的和意义 铁电体是一类具有自发极化的介电晶体，且其极化方向可以因外电场方向反向而反向。存在自发极化是铁电晶体的根本性质，它来源于晶体的晶胞中存在的不重合的正负电荷所形成的电偶极矩。若电偶极矩沿某个特殊方向排列，且该方向在晶体所属点群的任何对称操作下都保持不变，则该结构的晶体可具有铁电性。 铁电薄膜材料具有优良的铁电、压电、热释电和光电性能，是一类重要的信息功能材料，一方面高温超导体(HTS)与铁电体(FE)有类似的钙钛矿晶体结构，从而HTS可以和FE进行兼容；更为重要的是它的介电常数可以随外加电场的变化而变化, 具有广泛的应用前景。铁电材料与集成半导体技术的结合将在存贮器、传感器、声表面波(SAW)器件、微波单片集成电路(MMIC)、光波导、光开关、二次谐波发生器(SHG)和微电子机械系统(MEMS)等领域得到应用。其中，非挥发性存贮器(NVRAM)和下一代动态随机存贮器(DRAM)是铁电薄膜潜在的最重要的器件应用。随着现代器件发展的小型化和集成化，薄膜材料表现出了它特有的优越性，因而铁电薄膜材料及其在微电子和光电子中的应用研究已成为国际上材料科学于技术研究的热门。最近Cross等发现钛酸锶铅(PST)具有较高可调性和相当低的介电损耗。其还是一种互溶性较好的钙钦矿铁电材料，其居里点温度Tc可较容易地调至室温附近，介电温度系数较大，是一种非常适用于电场调节元件的材料。与BST相比，特别作为薄膜材料，PST的铁电临界尺寸较小，晶化温度较低，制备工艺与Si微电子工艺兼容，更能够满足高性能的Si基集成电路的需要，对推动现代器件发展的小型化和集成化具有十分重要的意义。 PST 铁电薄膜是一种性能优良的热释电材料，与其他材料相比，具有较高的热释电系数λ、高的电阻率ρ和大的热释电材料探测器优值FD，相变温度(Tc)接近室温。PST 铁电材料由于具有特殊和优异的性能又可以与Si 或GaAs 等半导体及其IC 平面工艺兼容，因而在高技术领域具有广泛的应用前景。利用其各方面的性能制成不同的器件，在当今迅速发展的微电子技术、光电子技术和微机械电子系统(MEMS)领域具有广泛的应用前景。利用其高介电系数及在高频下介电系数稳定、损耗小等特性,可制成大容量薄膜微波电容器；利用其相移特性及掺杂后的电容可调性，可制作相控阵雷达天线；利用其强铁电性和高介电系数，以铁电薄膜取代普通半导体动态随机存取存储器（DRAM）的存储电容介SiO2/Si3N4，可制备高密度、大容量铁电动态随机存取存储器（FEDRAM）；用它作半导体场效应管栅极介质能制得铁电存储场效应器件（FEMFET）；利用其强的压电性能制成MEMS 器件、压力传感器、超声换能器和声表面波器件（SAW）；利用其强的电光效应和铁电性，可以研制光开关光学相位调制器和光存储器等；利用其TC 附近的优良热释电性能可以制成单元热释电红外传感器、UFPA。所以铁电薄膜的制备及应用技术已成为当今国际上研究的热门之一。目前，对PST薄膜的研究工作也已经开始，现已有报道用溶胶—凝胶方法获得PST薄膜的介电常数可调性约(50%-20%)、介电损耗为(2-5%) 。但与Cross等人报道的数据相比，薄膜的性能还远未达到期望值，目前已获得的PST薄膜的性能远低于陶瓷块体材料的性能，特别是薄膜材料的介电损耗和漏电流较大，因此有必要探索降低损耗、提高绝缘性的途径，以获得高性能的PST薄膜材料，许多问题急待深入地研究和解决。 本文的目的在于：PST薄膜的新途径，采用Mn对PST陶瓷及薄膜进行掺杂改性，并采用Sol-Gel法制备Mn掺杂PST薄膜Mn掺杂对PST薄膜材料性能的影响及Mn掺杂PST薄膜的特性，通过XRD研究其结构和晶相形成，通过扫描电子显微镜观察形貌，并结合介电性能的测量，研究生长工艺、掺杂改性对薄膜结晶规律、结晶状态、表面形貌的影响及其与薄膜性能之间的关系，以掌握进一步提高PST薄膜介电性能的方法。 Si 半导体集成技术相结合而发展起来的集成铁电学（Integrated Ferroelectrics）及相关集成铁电器件的研究已成为铁电学研究中最活跃的领域之一，亦在信息科学技术领域中显示出诱人的应用前景受到了材料物理凝聚态物理陶瓷学微电子学和信息科学等领域中众多学者的关注。 BaTiO3是最早发现的一种钙钛矿铁电材料，具有介电常数大、非线性强的特点，但其对温度和频率有显著的依赖性，为了克服这一缺点，通常用Sr部分取代Ba,形成(Ba,Sr)Ti3 (BST)体系材料。通过改变Ba/Sr比，BST材料的居里温度可以在100K-400K范围内调整。在室温下，当Ba的含