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铁电薄膜残余应力X射线衍射测试方法研究

作　者: 吴勤勇
导　师: 郑学军
学　校: 湘潭大学
专　业: 凝聚态物理学
关键词: 铁电薄膜残余应力 X射线衍射单胞应力模型离面应变模型
分类号: TM221
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

铁电薄膜因其异于相同块体材料的电学、光学和光电子学性能,在微电子、微机电系统(MEMS)、信息存储等领域得到日益广泛的应用,是当前新型功能材料的一个重要研究对象,人们对铁电薄膜的制备、结构及其性能进行了大量卓有成效的研究。在铁电薄膜的制备过程中,薄膜内部的固有缺陷、铁电材料的相变、膜-基间的热失配和晶格失配等因素,使得铁电薄膜内不可避免地产生残余应力,因此对铁电薄膜残余应力的研究是这一领域中一个重要课题。本文讨论了薄膜残余应力的几种常用测试方法及其在铁电薄膜残余应力测量上的应用现状,其中重点关注了基于X射线衍射测量薄膜残余应力的方法。在此基础上本文针对铁电薄膜的特性,提出了两种新的用X射线衍射测量铁电薄膜残余应力的方法模型,且分别用其对PZT以及BNT铁电薄膜进行了残余应力的分析测算。结论主要包括:1.铁电薄膜由于其特有的各向异性、压电效应和力电耦合效应的存在,直接应用基于各向同性材料的传统sin 2?法测量其残余应力必然存在一定的测量误差。测量铁电薄膜残余应力必须考虑其特有的各向异性、压电效应和力电耦合,对于多晶薄膜,还必须考虑薄膜的取向分布对宏观应力的影响;2.单胞应力模型是一种从残余应力的微观机制出发计算铁电薄膜界面及表面残余应力的创新方法,其特点是:从残余应力的源头和微观机制出发,并考虑铁电材料的各向异性和压电效应,从理论上计算出薄膜-基底界面单胞的残余应力,并引入多晶薄膜的取向织构情况,通过由X射线衍射测量所获得的薄膜取向情况,对单胞应力值作细观力学的取向平均,从单胞的残余应力计算出薄膜界面的平均残余应力,最后通过薄膜应力沿厚度方向分布的经验公式,得到薄膜表面的应力值。通过对多组样品的测试计算,该方法在表面应力的结果上与传统方法有较好的一致性,且该方法能计算传统方法不能测量计算的薄膜界面的残余应力。3.离面应变模型是一种简便的测量计算多晶铁电薄膜表面残余应力的创新方法,同样考虑了多晶铁电薄膜的各向异性、压电效应和力电耦合,以及多晶薄膜的取向情况。该方法通过分析由X射线测量结果可以直接得到的薄膜各取向的平均离面应变和取向结构情况,由各取向的离面应变计算出对应的面内应力,再通过取向平均,计算薄膜的平均表面残余应力。通过对多组样品的分析计算,与未考虑多晶薄膜取向的传统方法比较,可以说明该方法在准确性上有保证,且更符合多晶铁电薄膜的实际情况。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章绪论  9-21
  1.1 铁电薄膜背景综述  9-15
    1.1.1 铁电薄膜发展历史  9-11
    1.1.2 铁电薄膜的性质和应用  11-12
    1.1.3 铁电薄膜的制备方法  12-13
    1.1.4 锆钛酸铅铁电体  13-15
  1.2 薄膜中的残余应力  15-17
    1.2.1 薄膜残余应力的来源  15-16
    1.2.2 残余应力对铁电薄膜性能的影响  16-17
    1.2.3 铁电薄膜残余应力的研究现状  17
  1.3 X 射线衍射方法原理及设备  17-19
  1.4 本论文的选题依据和主要内容  19-21
    1.4.1 本文的选题依据  20
    1.4.2 本文的主要工作  20-21
第2章铁电薄膜残余应力的测试方法  21-35
  2.1 薄膜残余应力常用测试方法介绍  21-23
  2.2 X 射线衍射方法  23-33
    2.2.1 传统sin~ 2ψ 法  23-27
    2.2.2 扩展sin~ 2ψ法  27-29
    2.2.3 取向平均模型方法  29-33
  2.3 X 射线衍射方法的改进思路  33-35
    2.3.1 几种已有的X 射线衍射方法的局限性  33-34
    2.3.2 改进思路  34-35
第3章单胞应力模型下铁电薄膜的残余应力  35-48
  3.1 模型的建立  35-40
    3.1.1 薄膜界面处单胞的应变  35-37
    3.1.2 用压电本构方程由应变求解界面处单胞的应力  37-38
    3.1.3 不同取向单胞应力的坐标转换  38-39
    3.1.4 应力取向平均得到薄膜界面处的平均应力  39
    3.1.5 由应力沿厚度方向的分布函数计算薄膜表面的应力  39-40
  3.2 用单胞应力模型测算PZT 铁电薄膜的残余应力  40-44
    3.2.1 PZT 铁电薄膜样品的制备、测量和参数准备  40-42
    3.2.2 MOD 法制备的薄膜样品的残余应力计算  42-43
    3.2.3 PLD 法制备的薄膜样品的残余应力计算  43-44
  3.3 单胞应力模型计算结果和传统方法的结果对比  44-47
  3.4 本章小结  47-48
第4章离面应变模型下铁电薄膜的残余应力  48-61
  4.1 模型的建立  48-52
    4.1.1 多晶薄膜的X 射线衍射  48-50
    4.1.2 薄膜中特定取向的离面应变  50
    4.1.3 由离面应变通过应力应变关系计算面内应力  50-51
    4.1.4 用应力取向平均计算薄膜的平均残余应力  51-52
  4.2 用离面应变模型测算PZT 铁电薄膜的残余应力  52-55
    4.2.1 样品的测量和参数准备  52-53
    4.2.2 计算结果和讨论  53-55
  4.3 用离面应变模型测算BNT 铁电薄膜的残余应力  55-59
    4.3.1 样品制备、测量和参数准备  56-57
    4.3.2 计算结果和讨论  57-59
  4.4 离面应变模型和单胞应力模型的比较  59-60
  4.5 本章小结  60-61
第5章总结和展望  61-63
  论文总结  61
  工作展望  61-63
参考文献  63-67
致谢  67-68
攻读硕士期间取得成果及发表的论文  68

铁电薄膜残余应力X射线衍射测试方法研究

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