薄膜材料与器件课程论文

1、薄膜材料与器件课程论文题 目 班 级 学 号 学生姓名 摘要：近年来，随着铁电薄膜制备技术的发展，其应用领域不断扩大。文章介绍了铁电薄膜新研究进展，对目前最常用的几种主要制备方法进行了评述，重点分析了铁电薄膜不同制备方法的优缺点。并指出存在的问题及其发展方向。关键词：铁电薄膜；制备技术；研究进展Abstract: In recent years，with the development of preparation techniques of ferroelectric thin films，they have many applications in some fields. The res

2、earch progress on ferroelectric thin film was introduced in the paperSome main preparation technologies were summarized in detail at presentThe advantages and disadvantage of different processing technology for ferroelectric thin films were discussed especially. In addition, this paper pointed out s

3、ome existing problems and future developmental directions.Keywords: ferroelectric thin film; preparation technology; research progress近年来对铁电薄膜的性能、应用和制备的研究，已成为国际上新颖功能材料与器件的一个新热点1-4。这不仅是因为薄膜材料几何设计的可塑性，更重要的是铁电薄膜具有优越的电极化特性、热释电效应、压电效应、电光效应、高解电系数和非线性光学性质等一系列特殊性质2 ，可以利用这些性质制作不同的功能器件，并可望通过铁电薄膜材料与其它材料的集成或复合，

4、制作集成性器件。随着铁电薄膜制备技术的发展，使现代微电子技术与铁电薄膜的多种功能相结合，必将开发出众多新型功能器件，促进新兴技术的发展，因此对铁电薄膜的研究已成为国内、国际上新材料研究中的一个十分活跃的领域。具有铁电性，且厚度在数十纳米至数微米的薄膜材料称为铁电薄膜材料。它具有热释电效应、压电效应、电光效应、高解电系数和非线性光学性质等。铁电材料的发展经历了三个重要阶段：2030年代，以水溶性铁电单晶为代表；4070年代，以铁电陶瓷为代表；70年代以后，以铁电薄膜为代表。早期铁电材料的用途主要是利用它的介电性、半导性等制作陶瓷电容器和各种传感器。激光和晶体管技术的日趋成熟，又促进了铁电薄膜的发

5、展。80年代，随着薄膜制备技术的发展，可利用铁电材料的晶界或晶粒表面层制作一些特殊功能器件，使其广泛应用于电子技术、超声技术、红外技术等领域3 。90年代，随着微电子技术、光电子技术和传感器技术等的发展，对铁电材料提出了小型轻量、可集成等更高的要求，从而使大批新型铁电薄膜器件或器件原型不断涌现。在铁电薄膜的许多应用中，铁电存储器尤其引人注目。铁电薄膜存储器既有动态随机存储器(DRAM)快速读写功能，又有可擦除只读存储器(EPROM)的非易失性，还具有抗辐射、功耗和工作电压低、工作温度范围宽、易与大规模集成电路兼容等特点，因而在铁电随机存储器(FRAM)、超大规模集成(FEMFET)、全光存储器

6、等领域有广阔的应用前景。铁电薄膜和集成铁电器件在世界范围内引起了科技工作者的深切关注，成为当今功能材料和器件研究方面的一大热点。目前主要集中在铁电薄膜材料的制备、表面特性的测量以及应用研究与开发。1.铁电薄膜的制备技术目前，应用较为广泛的铁电薄膜制备技术主要有：溅射镀膜法、金属有机化合物气相沉积(MOCVD)、溶胶一凝胶(Sol-Gel)法、金属有机化合物热分解(MOD)法、脉冲激光沉积(PLD)法、激光分子束外延(L-MBE)法、液态源雾化化学沉积法以及自组装与分子自组装技术等。表1列出了铁电薄膜常用制备方法及其特点。表1 铁电薄膜常用的制备方法及其特点方法MOCVDSol-Gel溅射镀膜法

7、PLD膜材料溶液溶液陶瓷晶体成膜温度低低低低制备时间短长短短沉积温度500700室温室温700室温700退火温度500800500700500700500700膜厚薄薄薄薄组分分布均匀均匀均匀均匀组分保持偏离保持保持晶化方式后续退火后续退火后续退火后续退火结晶性能高去向高去向高去向高去向致密度一般好一般好设备损耗高高高高1.1溅射镀膜法该方法包括：射频溅射、磁控溅射及离子束溅射等。溅射法的基本手段是利用荷能粒子轰击靶材表面，使固体原子(或分子)从表面射出形成溅射物流，沉积于基底表面形成薄膜。由于溅射物流具有较高(十几至几十电子伏特)的能量，到达基底表面后能维持较高的表面迁移率，所以溅射法具有如

8、下优点：(1)制得膜层的结晶性能较好，控制好溅射参数，易获得单晶膜层；(2)基片温度较低；(3)与集成技术的兼容性好；(4)可用于多种薄膜的制备；(5)制得的薄膜不需要或只需要较低温度的热处理。缺点是薄膜的组分比与靶材有所不同，溅射速率低，生长速度慢。1.2金属有机化合物气相沉积(MOCVD)MOCVD 法是近二三十年来发展起来的一项薄膜材料制备技术。它主要通过气态物质在固体表面上进行化学反应生成固体沉积物而获得薄膜。利用金属有机化合物作为参与反应的气体，大大降低了反应所需的温度生长温度的可控性好，有利于大面积超薄层材料生产。但一些含有铁电薄膜成分的易挥发金属有机物源较难获得，且源物质纯度、稳

9、定性难以满足要求，限制了其应用。近来，人们采用液体源固体源输运技术，使MOCVD技术得到很快发展。采用该方法已制备出KNbO3、Bi4Ti3012 、PZT等薄膜。1.3溶胶一凝胶(Sol-Ge1)法该法的基本原理是在有机溶剂中加入含有所需元素的化合物形成均匀溶液，溶液通过水解与缩聚反应形成凝胶，再通过热处理(干燥、预烧、烧结)，除去凝胶中的剩余有机成分，最后形成所需的薄膜。溶胶一凝胶方法的优点5-6是：(1)合成温度低，可防止低熔点氧化物的挥发；(2)由于水解缩聚反应在溶液中进行，因此各成分在分子级程度上均匀混合，使得形成的膜化学计量比与配方一致；(3)化学组分准确，均匀性好；(4)易于掺杂

10、 改性；(5)工艺简单，易于推广，成本低，成膜面积大。要获得稳定的溶液，原料需具备条件：(1)金属含量高；(2)在溶剂中的溶解度大；(3)热处理时无熔化或蒸发现象；(4)室温时稳定，不浑浊，不沉淀，不凝聚；(5)制备多组元薄膜时，几种有机化合物互溶。采用Sol-Gel法已制备出PZT、PLZT、KTN、LiNbO3等铁电薄膜。1.4脉冲激光沉积(PLD)法7-8脉冲激光沉积(PLD)是20世纪80年代后期发展起来的新型薄膜制备技术，整个过程可以分为三个阶段：(1)激光与靶材作用阶段；(2)烧蚀物(在气氛气体中)的传输阶段；(3)到达衬底的烧蚀物在衬底上的成膜阶段。PLD法的最大优点是膜的化学成

11、分和靶材的化学成分很接近，因而特别适应于制备复杂氧化物薄膜，包括铁电薄膜、高温超导薄膜和磁性薄膜等；其缺点是膜表面上常有细微液滴凝固形成的颗粒状突起而使表面质量不甚理想，也不易于制备大面积的薄膜材料。1.5 激光分子束外延(L-MBE)法激光分子束外延(LMBE)是近年来发展起来的一种新的薄膜制备技术，它将传统MBE 的超高真空、原位监测的优点和脉冲激光沉积的易于控制化学成分、使用范围广等优点结合起来，在生长、探索人工控制多层膜的新材料方面具有独到之处。近年来，利用LMBE已成功地研制了多种铁电薄膜和复合薄膜等，并可以实现超品格制备和薄膜的外延生长。结果表明，利用LMBE技术可在薄膜生长过程中

12、进行原子水平的观察和调控，并可在此基础上实现铁电薄膜的单原子层外延生长。2. 铁电薄膜的应用铁电薄膜具有优越的电极化特性、热释电效应、压电效应、电光效应、高解电系数和非线性光学性质等一系列特殊性质，可以利用这些性质制作不同的功能器件，并可望通过铁电薄膜材料与其它材料的集成或复合，制作集成性器件。如，利用其电滞回线特性可制作非挥发性随机存取存储器，利用压电效应可制作声表面波延迟线及微型压电马达，利用热释电效应可制作红外热释电探测器，利用光电效应制作光波导等器件。目前，铁电薄膜主要应用于微电子学和光电子学，在这两大领域中，铁电薄膜均有重要的或潜在的用途。表2列出了铁电薄膜的一些应用。表2 铁电薄膜

13、的应用薄膜材料性能应用钙钛矿型（钛酸盐）BaTiO3SrTiO3介电性热释电性、PTCR电容器、传感器电热调节器、热探测器 PbTiO3(PT)Pb(Zr,Ti)O3(PZT(Pb,La)(Zr,Ti)O3(PLZT) 热电释性、介电性压电性、电光性热电释性、电光性热探测器、声传感器非挥发性存储器热探测器、声表面波基片铌酸盐型Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)PMN/PT介电性电光性电容器、存储器波导器件LiNbO3(LN)LiTaO3(LT)压电性、电光性热探测器、波导器件、光调节器、SAW、SHGKNbO3(KN)K(Ta,Nb)O3(KN) 电光性热电释性电光性波导器件、倍频器件

14、热探测器、波导器件钨青铜型（Sr,Ba）Nb2O6(SBN)(Pb,Ba)Nb2O6(PBN)(K,Sr)Nb2O6(PKN)Ba2NaNb5O15(BNN)介电性压电性电光性存储器热探测器波导器件3. 展望随着集成电路产业、固体发光、激光器件产业、磁记录材料和器件产业的迅速发展，铁电薄膜材料和技术愈来愈受到重视，薄膜科学研究成果转化为生产的速度愈来愈快，对生产的贡献日益增大。近年来，铁电薄膜的制备，表征和特性研究以及多层膜和异质结构等的研究都取得了较大的进展，但进一步发展铁电薄膜，在铁电薄膜材料的研究中尚存在一些问题，主要有9-10：(1)制备、加工温度较高；(2)应大力发展性能优良的非铅基

15、铁电薄膜材料；(3)铁电薄膜表面以及铁电薄膜异质结界面还不能完全人为控制；(4)铁电疲劳与老化限制了铁电薄膜的广泛应用；(5)与铁电薄膜相关的物理问题需继续深入研究；(6)铁电薄膜微观特性的表征及其与宏观特性的对应关系尚不清楚。因此，今后铁电薄膜材料的主要研究和发展方向有11-12：(1)重视铁电异质结构特性及相关新效应的研究；(2)开发铁电薄膜在集成光学和微电机系统中的应用；(3)大力研发和开拓新型铁电薄膜器件。参考文献1 曲喜新，杨邦朝等电子薄膜材料M北京：科学出版社，1996.2 徐征，倪宏伟现代功能陶瓷M北京：国防工业出版社，1998.3 贾德昌等电子材料M哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社

16、，2000.4 Laurel M Sheppard. Advances in processing of ferroelectric thin filmsJ. CeramicBulletin, 1992,71(1).5 包定华等铁电薄膜研究的一些新动向J高技术通讯，1997,(4).6 何恩培，刘梅冬等溶胶一凝胶工艺对PZT铁电薄膜结构的影响J压电与声光，1994,(6).7 苗彬彬，王君，陈江涛，等铁电PZT薄膜的最新研究进展J人工晶体学报，2006,35(3):539-5448 Chen Q，Qian Y T，Chen Z Y，et a1Hydrothermal preparation of highlyoriented poly crystalline ZnO thin filmsJMater Lett,1995,22(1):93-959 肖定全.铁电薄膜研究中的几个重要问题J功能材料，2003，34(5):479-481.10 刘梅冬，曾亦可，李楚荣，等.铁电薄膜的制备及应用技术研究J材料导报，2000,12(12):47-49.11 Chen A，C