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氧化物异质外延过程中应变研究

作　者: 梁柱
导　师: 张鹰
学　校: 电子科技大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 铁电薄膜应变生长模式激光分子束外延反射高能电子衍射
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

氧化物薄膜由于其丰富的物理性质可广泛地被应用于微电子学、光电子学和微电子机械系统等领域,对其制备工艺和生长控制的研究愈加受到重视。本论文基于激光分子束外延的基本原理,以高能电子反射为主要监测工具,对氧化物薄膜特别是铁电氧化物薄膜异质外延过程中应变行为及其控制方法进行了系统的研究,并取得了一系列有意义的结果,主要包括以下内容:利用反射高能电子衍射（RHEED）的信息对薄膜结构进行分析。RHEED是动态的分析薄膜生长有力监测工具,从RHEED的衍射图案和衍射图形的强度振荡曲线可以读取薄膜生长的模式和应变过程。从生长模式上看,可以分析如层状生长,层岛结合生长,岛状生长,织构以及这几种生长模式的转变过程;从监测应变释放上看,可以通过精细分析衍射点的间距得到具体的应变释放过程。氧化物薄膜异质外延应变行为的理论预测和解释。对于晶格失配较小的外延体系（如BaTiO3/SrTiO₃～2.18%）,薄膜以层状方式进行生长,临界厚度和应变释放过程可以用经典的Matthews-Blakeslee公式进行预测;对于晶格失配较大的体系（如MgO/SrTiO₃～8%）,薄膜以岛状方式进行生长,应变释放过程可以由弹性应变岛的理论体系进行解释。对于具有生长模式转变的体系,可以由上述理论结合RHEED分析不同阶段的应变过程和与之对应的生长模式。通过理论预测和RHEED的检测,控制氧化物薄膜生长,特别是控制铁电氧化物薄膜生长中的应变行为。（1）计算了各种晶格失配度体系的临界厚度,并与实验观察值进行比较,选择小晶格失配体系,可以控制铁电薄膜晶格在较大的临界厚度下得到面内压缩,从而得到更大的弹性应变能;（2）对于晶格失配较大的体系,如BaTiO₃/LaAlO₃～5.33%,通过逐级降温的方式,控制薄膜生长应力释放的速度,在300℃下的生长低温下,仍能得到40个原胞层厚度的以多层台阶方式生长的外延薄膜;（3）对于大晶格失配的体系如MgO/SrTiO₃～8%,通过控制应变来得到生长模式的转变,构造出了外延的MgO量子岛。

全文目录

第一章绪论  9-19
  1.1 概述  9-13
  1.2 铁电薄膜生长  13-19
    1.2.1 铁电薄膜与应变工程  13-14
    1.2.2 铁电薄膜沉积工艺  14-19
第二章实验方法与原理  19-29
  2.1 激光分子束外延原理  19-20
  2.2 设备简介  20-21
  2.3 原位的反射高能电子衍射  21-29
    2.3.1 薄膜表面的RHEED 主要信息  22-24
    2.3.2 RHEED 与生长模式与强度振荡曲线  24-26
    2.3.3 RHEED 衍射图案分析  26-28
    2.3.4 RHEED 在本论文中实际应用的说明  28-29
第三章氧化物薄膜异质外延的应变理论模型  29-37
  3.1 引言  29
  3.2 小晶格失配体系与Matthews-Blakeslee 公式  29-33
    3.2.1 Matthews-Blakeslee 公式的物理含义  30
    3.2.2 失配位错形成的临界厚度  30-31
    3.2.3 晶格驰豫过程  31-32
    3.2.4 Matthews-Blakeslee 公式的实用价值  32-33
    3.2.5 Matthews-Blakeslee 公式的理论补充  33
  3.3 大晶格失配体系与弹性应变岛理论  33-37
    3.3.1 弹性应变岛与界面能量的关系  33-34
    3.3.2 弹性应变岛生长的动力学理论  34-35
    3.3.3 弹性应变岛理论的意义与应变量子岛的实现  35-37
第四章氧化物薄膜异质外延的应变控制研究  37-60
  4.1 引言  37
  4.2 铁电薄膜临界厚度计算与控制  37-43
    4.2.1 Matthews-Blakeslee 公式临界厚度计算  37-39
    4.2.2 材料体系选择的实际考虑  39
    4.2.3 临界厚度的实验监测与控制  39-43
      4.2.3.1 BaTiO_3/SrTiO_3(f=2.1896)的实验临界厚度  39-42
      4.2.3.2 BaTiO_3/LaAlO_3(f=5.3396)的实验临界厚度  42-43
  4.3 通过温度控制应变与铁电薄膜低温生长  43-53
    4.3.1 BaTiO_3 在LaAlO_3 基片上直接低温(300℃)生长  43-45
      4.3.1.1 LaAlO_3 基片的处理  43-44
      4.3.1.2 BaTiO_3 薄膜在300℃的低温下直接生长  44-45
    4.3.2 BaTiO_3 温度调制缓冲层  45-47
    4.3.3 BaTiO_3 温度调制缓冲层的生长模式和表面成核  47-48
    4.3.4 温度调制控制的应变与粒子成核的激活能  48-50
    4.3.5 BaTiO_3 薄膜在300℃低温下的生长  50-52
    4.3.6 小结  52-53
  4.4 MgO 量子岛的设计  53-60
    4.4.1 MgO 在SrTiO_3 基片上生长的应变释放过程  53-55
    4.4.2 应变释放导致的MgO 生长模式转变  55-56
    4.4.3 MgO 应变量子岛的设计考虑与性质  56-59
      4.4.3.1 MgO 应变量子岛的设计考虑  56-57
      4.4.3.2 MgO 应变量子岛与沿[001]轴的面外织构  57-59
    4.4.4 小结  59-60
主要结论与创新点  60-61
参考文献  61-68
致谢  68-69
个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文  69
  个人简历  69
  在读期间已发表和待发表的论文  69

氧化物异质外延过程中应变研究

内容摘要

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