ABO-,3-型鐵電薄膜晶化行為與晶化動(dòng)力學(xué)的研究.pdf

1、ABO<,3>型鐵電薄膜在集成鐵電器件等方面具有重要的應(yīng)用前景。研究者通常采用先沉積非晶薄膜再通過后續(xù)晶化處理制備晶態(tài)鐵電薄膜。在這條路線中，晶化處理工藝是控制薄膜微觀結(jié)構(gòu)、層間界面，進(jìn)而控制薄膜性能最重要的手段。作為一種新的晶化技術(shù)，快速熱處理(RTA)方法在鐵電薄膜晶化中的應(yīng)用同趨廣泛。然而，有研究表明，采用RTA技術(shù)處理的鐵電薄膜存在一些新的晶化行為和特點(diǎn)，而傳統(tǒng)晶化理論不能正確解釋這些新的晶化行為和特點(diǎn)。為此，本論文針對(duì)ABO<

2、,3>型鐵電薄膜的晶化行為與晶化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，力圖建立鐵電薄膜的晶化動(dòng)力學(xué)模型，揭示鐵電薄膜晶化行為機(jī)理。 理論上，采用第一原理分別模擬晶態(tài)和非晶態(tài)納米鐵電薄膜的電子結(jié)構(gòu)，建立該類材料的相互作用勢(shì)函數(shù)；在此基礎(chǔ)上通過對(duì)鐵電薄膜熔化、淬火和晶化過程的分子動(dòng)力學(xué)模擬，得到其非晶態(tài)一晶態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制和規(guī)律；然后應(yīng)用反應(yīng)速度理論，建立ABO<,3>型鐵電薄膜的晶化動(dòng)力學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)上，采用RTA方法系統(tǒng)研究晶化時(shí)間、晶化溫度及升溫速率對(duì)ST

3、0、BST等典型ABO<,3>型鐵電薄膜微結(jié)構(gòu)、晶粒分布及表面形貌的影響規(guī)律，驗(yàn)證ABO<,3>型鐵電薄膜的晶化動(dòng)力學(xué)模型。 (1)ABO<,3>型鐵電薄膜的相互作用勢(shì)函數(shù)的建立應(yīng)用DFT理論和平面波展開方法，采用CASTEP軟件包，對(duì)晶態(tài)與非晶態(tài)ST0、BTO等體系電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了第一原理模擬，模擬結(jié)果表明，該類材料中Ti-0鍵存在明顯的“雜化”作用，即離子型與共價(jià)型相互作用并存，非晶態(tài)體系中的“雜化”程度略弱于晶態(tài)體系，體系中

4、各原子明顯偏離正常價(jià)態(tài)。基于此，本文建立了能同時(shí)反映離子型與共價(jià)型相互作用的勢(shì)函數(shù)，并通過體系總能量模擬建立的勢(shì)能曲面擬合了其他參數(shù)。 (2)勢(shì)函數(shù)驗(yàn)證及非晶態(tài)構(gòu)型的獲得根據(jù)第一原理模擬得到的勢(shì)函數(shù)和參數(shù)，應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)ST0的熔化、淬火過程進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，ST0晶體點(diǎn)陣常數(shù)、熔點(diǎn)等特征數(shù)據(jù)的模擬值與實(shí)驗(yàn)值是一致的；通過將液態(tài)ST0淬火的方法，得到了ST0非晶態(tài)的配位數(shù)、徑向分布函數(shù)、鍵角分布等結(jié)構(gòu)特征和擴(kuò)散系數(shù)等

5、動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)，成功復(fù)現(xiàn)了ST0非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了勢(shì)函數(shù)及其參數(shù)的正確性。 (3)非晶態(tài)ABO<,3>型鐵電薄膜晶化過程模擬應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)方法，建立了以同質(zhì)單晶為基片的ABO<,3>型鐵電薄膜構(gòu)型，系統(tǒng)研究了不同溫度和升溫速率下ABO<,3>，型鐵電薄膜的晶化行為。結(jié)果表明，升溫速率顯著影響薄膜內(nèi)的溫度分布，升溫速率越大，薄膜表面與膜基界面之間的溫度差越大；薄膜的晶化形核以非均質(zhì)形核為主；膜基界面附近的非均質(zhì)形核可以在較低溫度下

6、進(jìn)行，臨界形核尺寸為3個(gè)元胞，而薄膜表面的非均質(zhì)形核發(fā)生在較高溫度，臨界形核尺寸為5個(gè)元胞。 (4)ABO<,3>型鐵電薄膜晶化動(dòng)力學(xué)模型的建立在上述模擬結(jié)果基礎(chǔ)上，應(yīng)用反應(yīng)速度理論，分別建立了膜基界面和薄膜表面晶化形核模型，得到了薄膜的晶化形核模型，模型中包括了升溫速率的影響。結(jié)果表明，鐵電薄膜形核所需的成核功遠(yuǎn)高于晶粒生長所需的活化能，薄膜的晶化是由形核控制的動(dòng)力學(xué)過程；薄膜形核率隨升溫速率的增加而增加；當(dāng)升溫速率較大時(shí)，薄

7、膜表面的非均質(zhì)形核可因表面溫度快速升高而被激發(fā)，膜基界面和薄膜表面的非均質(zhì)形核可同時(shí)存在；而當(dāng)升溫速率較小時(shí)，薄膜表面溫度較低，不足以激發(fā)薄膜表面形核，只有膜基界面形核，形核率較低，導(dǎo)致晶粒尺寸較大。 (5)采用快速退火工藝對(duì)STO、BST等典型鐵電薄膜的晶化行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，薄膜的晶粒尺寸決定于初期晶化溫度，而初期晶化溫度受升溫速率影響，升溫速率越慢，初期晶化溫度越低，晶粒越大；升溫速率越快，初期晶化溫度越高，晶粒越小