磁控溅射沉积梯度La1-xSrxMnO3薄膜及其性能表征

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镧系锰氧化物属于钙钛矿晶体结构,具有非常优异磁学电学性能,在微电子领域有着非常可观的发展前景。然而镧系锰氧化物与Si之间的兼容性较差,使得其在应用上受到了极大阻碍。因此本文通过磁控溅射方法,使用La Mn O3与Sr Mn O3双靶材共溅射的方式在单晶Si衬底上制备La1-xSrxMn O3薄膜。通过改变不同的溅射参数来探究不同工艺对在Si衬底上生长La1-xSrxMn O3薄膜的影响规律。并设计了一种梯度La1-xSrxMn O3薄膜,薄膜中Sr浓度从单晶Si界面到薄膜表面呈连续梯度变化;以及对梯度La1-xSrxMn O3薄膜进行退火处理。通过X射线衍射仪、场发射电子显微镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱仪、四探针电阻测试仪对所制备的薄膜样品进行表征和分析。探究溅射参数对La1-xSrxMn O3薄膜的结构影响。结果表明,所有的La1-xSrxMn O3薄膜均为单一钙钛矿结构,且在溅射温度为550℃,溅射气压为2Pa,溅射时间为12h的La1-xSrxMn O3薄膜在(110)晶向具有高度择优取向,薄膜表面晶粒均匀致密,此时的薄膜厚度约为2μm,薄膜表面的晶粒尺寸均在30~50nm之间。并且在多数溅射条件下均能得到(110)晶向择优取向的薄膜,说明使用La Mn O3和Sr Mn O3单晶靶材共溅射更容易在单晶Si衬底上得到具有择优取向的La1-xSrxMn O3薄膜;在溅射过程中保持La Mn O3靶材溅射功率不变,通过增大Sr Mn O3靶材的溅射功率(20~40W),提高Sr的溅射率,通过在不同时间改变Sr Mn O3靶材溅射功率,得到不同成分的梯度La1-xSrxMn O3薄膜。当总溅射时间为12h,Sr Mn O3靶材的溅射功率为20W溅射4h,30W溅射4h,40W溅射4h时,得到的梯度La1-xSrxMn O3薄膜结构仍然具有高度的(110)晶向的衍射峰,并且薄膜形貌较好,晶粒尺寸较为均匀,通过XPS可以看出Sr含量从薄膜界面到表面逐渐增加。利用四探针对梯度La1-xSrxMn O3薄膜进行电学性能测试,得出随着平均Sr掺杂含量的增加,梯度薄膜中的电阻率逐渐降低。总溅射时间为12h,Sr Mn O3靶材的溅射功率为20W溅射2h,30W溅射2h,40W溅射8h时,薄膜中的电阻率为最低,此时薄膜中的电阻率为79.60×10-3?·cm;经退火处理后,梯度La1-xSrxMn O3结构发生变化,由在(110)晶向择优生长的薄膜转变为多晶薄膜,这是由于在退火过程中氧离子的注入以及梯度薄膜在高温下结构的不稳定所导致的。但是薄膜在退火后,对薄膜的表面形貌有所优化,使薄膜晶粒长大减少了晶界;并对退火后的薄膜样品进行了电学测试,发现合适的退火条件会使薄膜的电阻下降,当退火温度为600℃时达到最小值。
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