基于取向平均方法多晶鐵電薄膜殘余應(yīng)力的測量.pdf

1、鐵電薄膜的特異性能,例如熱釋電性能、鐵電性能、壓電性能、電致伸縮性能、非線性光學(xué)性能以及電光性能等,使其具備了廣泛的應(yīng)用前景,進(jìn)而引來了世界各地的學(xué)者以及政府部門的特別關(guān)注。薄膜的力學(xué)性能與剝離、脆性斷裂和疲勞退化有著重要的聯(lián)系,他們都是影響鐵電薄膜器件可靠性的關(guān)鍵性因素。薄膜和基底之間的結(jié)構(gòu)失配、熱失配以及在薄膜制備時所經(jīng)歷的高溫到低溫的變化過程,導(dǎo)致了薄膜中殘余應(yīng)力的形成變得不可避免。因此準(zhǔn)確地確定殘余應(yīng)力,在鐵電薄膜及其相關(guān)器件的

2、制備和生產(chǎn)中具有特殊的意義。本文回顧了幾種常用的薄膜殘余應(yīng)力測量方法,然后重點(diǎn)關(guān)注了非破壞性無損傷測量的X射線法(XRD)用于測量鐵電薄膜殘余應(yīng)力的現(xiàn)狀?；赬RD,本文針對鐵電薄膜的特性(如各向異性或者是橫觀各向同性、壓電性和晶粒取向等),以Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT)薄膜為研究對象,提出了兩種測量鐵電薄膜殘余應(yīng)力的方法模型,探討了(Na1-xKx)0.5Bi0.5TiO3(NBT-KBT-100x)薄膜殘余應(yīng)力的

3、XRD測量和分析。主要內(nèi)容包括以下幾點(diǎn):
　　1.取向平均方法考慮了薄膜的橫觀各向同性、壓電性和晶粒取向,是一種考慮了更全面的信息的殘余應(yīng)力估算方法。通過估算三種PZT薄膜中的殘余應(yīng)力,驗證了取向平均方法的可靠性。在考慮一個衍射峰的情況下,取向平均方法只對具有隨機(jī)取向特征的多晶鐵電薄膜有效;而在考慮多個衍射峰的情況下,取向平均方法既適合于具有隨機(jī)取向特征的多晶鐵電薄膜,也適合于具有擇優(yōu)取向特征的多晶鐵電薄膜。
　　2.利用金

4、屬有機(jī)物分解法,在LaNiO3(LNO)/SiO2/Si(100)基底上制備了不同鉀含量的NBT-KBT-100x的鐵電薄膜,對其微結(jié)構(gòu)、介電、壓電以及力學(xué)性能進(jìn)行了表征,并用sin2Ψ法近似的估算了殘余應(yīng)力。此外考慮到傳統(tǒng) sin2Ψ法中沒有包含晶粒取向的信息,這里用取向平均方法對NBT-KBT-100x薄膜的殘余應(yīng)力也進(jìn)行了估算。相對于傳統(tǒng)sin2Ψ法來說,取向平均方法考慮了更全面的信息,因此應(yīng)該更能反映多晶鐵電薄膜的實(shí)際情況。估算

5、結(jié)果表明,晶粒尺寸對殘余應(yīng)力大小有一定的影響。
　　3.晶粒應(yīng)變模型以單個晶粒為研究對象進(jìn)行建模,可以用于估算薄膜的界面和表面殘余應(yīng)力。根據(jù)熱力學(xué)理論,重點(diǎn)對薄膜界面處的殘余應(yīng)力進(jìn)行分析討論。通過對PZT外延膜中界面殘余應(yīng)力的估算發(fā)現(xiàn),在薄膜很薄的時候,晶粒應(yīng)變模型與熱力學(xué)理論得到結(jié)果的很接近;而隨著薄膜厚度的增加,由于熱力學(xué)理論沒有考慮結(jié)構(gòu)松弛機(jī)制對界面殘余應(yīng)力的影響,晶粒應(yīng)變模型的結(jié)果逐漸偏離于熱力學(xué)理論的結(jié)果。另外,將晶粒應(yīng)