磁控溅射法制备BaSrTiO铁电薄膜及其电性能研究

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(Ba,Sr)TiO3(简称BST)是由BaTiO3和SrTiO3形成的固溶体,它集中了BaTiO3的高介电常数和SrTiO3结构稳定的特点,因此作为红外探测器用材料具有广阔的应用前景。 本文首先用传统的固相烧结工艺制备了Ba0.65Sr0.35TiO3陶瓷靶材。实验结果表明,在940℃预烧2h,1300℃烧结2h是最佳工艺条件。在此工艺条件下制备的BST陶瓷靶材在室温下介电常数为5721,介电损耗为0.0069,外加2.5kV电压时剩余极化为8.2μC/cm2,矫顽场为7.8kV/cm。 其次,在Si衬底上摸索磁控溅射法制备BST薄膜的工艺条件,通过研究衬底温度、O2/Ar比和工作气压等工艺参数对薄膜结构的影响,得到最佳工艺条件为衬底温度600℃、O2/Ar比1:2、工作气压3.0Pa。 在此工艺条件下,应用R.F.磁控溅射法在Pt、Ru、RuO2和Pt/RuO2四种电极上制备了BST薄膜,分析了薄膜的微观形貌和电学性能,实验发现,Pt电极上制备的BST薄膜表面结构更加致密,晶粒生长均匀,晶粒尺寸在100nm左右。在室温,频率为100kHz条件下,介电常数为437.8,介电损耗为0.023;600kV/cm电场下,2Pr为8.4μC/cm2,Ec为89kV/cm;3V偏压时,漏电流为1.1×10-8A。这些结果证明Pt电极上制备的BST薄膜性能优良,符合开发热释电红外探测器材料的要求,但Pt底电极难以刻蚀出微图形是制约其应用的关键所在。而Ru和RuO2电极虽然在微图形的刻蚀上容易实现,但在它们上生长的BST薄膜的电学性能严重劣化,因此也无法使用。在对Pt/RuO2复合电极上生长BST薄膜的研究中发现,其BST薄膜的性能与Pt电极上薄膜相近,而且Pt/RuO2复合电极容易刻蚀,因此Pt/RuO2是完全可以取代Pt作为后续器件开发的底电极材料。XPS的研究发现,BST/Ru的界面扩散行为明显,其界面厚度达到10nm,BST/Pt之间具有更加稳定的界面状况,其界面厚度仅为6nm。 为了进一步提高Pt电极上BST薄膜的性能,在BST薄膜与Pt电极之间插入一中间缓冲层。实验结果发现,YSZ、BT和YBCO三种缓冲层都可以降低BST薄膜的漏电流。YSZ缓冲层还可以明显降低BST薄膜的介电损耗;BT缓冲层则可提高BST薄膜的介电常数;YBCO缓冲层上的BST薄膜则可获得优良的铁电性能。
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