鐵電薄膜殘余應(yīng)力X射線衍射測試方法研究.pdf

1、鐵電薄膜因其異于相同塊體材料的電學(xué)、光學(xué)和光電子學(xué)性能,在微電子、微機電系統(tǒng)(MEMS)、信息存儲等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用,是當(dāng)前新型功能材料的一個重要研究對象,人們對鐵電薄膜的制備、結(jié)構(gòu)及其性能進行了大量卓有成效的研究。在鐵電薄膜的制備過程中,薄膜內(nèi)部的固有缺陷、鐵電材料的相變、膜-基間的熱失配和晶格失配等因素,使得鐵電薄膜內(nèi)不可避免地產(chǎn)生殘余應(yīng)力,因此對鐵電薄膜殘余應(yīng)力的研究是這一領(lǐng)域中一個重要課題。本文討論了薄膜殘余應(yīng)力的幾種常用

2、測試方法及其在鐵電薄膜殘余應(yīng)力測量上的應(yīng)用現(xiàn)狀,其中重點關(guān)注了基于X射線衍射測量薄膜殘余應(yīng)力的方法。在此基礎(chǔ)上本文針對鐵電薄膜的特性,提出了兩種新的用X射線衍射測量鐵電薄膜殘余應(yīng)力的方法模型,且分別用其對PZT以及BNT鐵電薄膜進行了殘余應(yīng)力的分析測算。結(jié)論主要包括:
　　1.鐵電薄膜由于其特有的各向異性、壓電效應(yīng)和力電耦合效應(yīng)的存在,直接應(yīng)用基于各向同性材料的傳統(tǒng)sin2Ψ法測量其殘余應(yīng)力必然存在一定的測量誤差。測量鐵電薄膜殘余

3、應(yīng)力必須2考慮其特有的各向異性、壓電效應(yīng)和力電耦合,對于多晶薄膜,還必須考慮薄膜的取向分布對宏觀應(yīng)力的影響;
　　2.單胞應(yīng)力模型是一種從殘余應(yīng)力的微觀機制出發(fā)計算鐵電薄膜界面及表面殘余應(yīng)力的創(chuàng)新方法,其特點是:從殘余應(yīng)力的源頭和微觀機制出發(fā),并考慮鐵電材料的各向異性和壓電效應(yīng),從理論上計算出薄膜-基底界面單胞的殘余應(yīng)力,并引入多晶薄膜的取向織構(gòu)情況,通過由X射線衍射測量所獲得的薄膜取向情況,對單胞應(yīng)力值作細觀力學(xué)的取向平均,從單

4、胞的殘余應(yīng)力計算出薄膜界面的平均殘余應(yīng)力,最后通過薄膜應(yīng)力沿厚度方向分布的經(jīng)驗公式,得到薄膜表面的應(yīng)力值。通過對多組樣品的測試計算,該方法在表面應(yīng)力的結(jié)果上與傳統(tǒng)方法有較好的一致性,且該方法能計算傳統(tǒng)方法不能測量計算的薄膜界面的殘余應(yīng)力。
　　3.離面應(yīng)變模型是一種簡便的測量計算多晶鐵電薄膜表面殘余應(yīng)力的創(chuàng)新方法,同樣考慮了多晶鐵電薄膜的各向異性、壓電效應(yīng)和力電耦合,以及多晶薄膜的取向情況。該方法通過分析由X射線測量結(jié)果可以直接得