溅射外延铁电薄膜的畴应变工程

多铁性材料在新一代纳米结构电子器件中的集成需要精确有序地控制薄膜的生长,同时考虑到这些材料的性质来开发畴结构,即材料中所有极化和/或磁化都在同一方向上对齐的区域。实现这一目标的方法之一被称为应变工程,它使用单晶衬底和不同的生长技术,例如;化学气相沉积(CVD)、溶胶-凝胶法化学溶液沉积(CSD)、脉冲激光沉积(PLD)、射频磁控溅射和复杂而昂贵的沉积技术,如分子束外延(MBE)。

图1所示。具有取向的STO衬底上KNNLa薄膜界面的低分辨率(A)和高分辨率(B) TEM截面图[100];(C)中,界面区域(B)的傅里叶变换。

在上述技术中,射频磁控溅射技术是一种特别有吸引力的应用技术,因为它允许广泛的沉积面积,并在工业上正式建立,特别是在实际的微电子制造中。另一方面,促进晶体生长的一个重要因素是衬底和样品在沉积过程之前和之后在适当的退火温度下进行热处理。

通过我们的工作,我们已经证明了建立每个沉积过程的最佳条件,射频溅射是一种获得外延生长的优秀技术。因此,在充分选择衬底的情况下,铁电畴的生长和排列可以按照存储器件、传感器、致动器等技术应用进行设计和制造。

作为一个特殊的案例,我们已经获得了高结晶质量,高取向和外延的无铅铁电la掺杂(K)薄膜0.5Na0.5) NbO3.(KNNLa)化合物(图1),在SrTiO单晶上3.(STO)取向[100]和[110]的衬底,采用射频磁控溅射技术结合适当的热处理。为了促进晶体生长,对STO衬底和KNNLa/STO样品在O下进行热处理2在585℃的退火温度下,沉积工艺前后的气氛。

在STO衬底的表面参数、晶体结构和化学成分的条件下,KNNLa薄膜以高度有序的铁电畴排列生长,形成迷宫状的网状结构,其中短棒相对于[001]和[010]的方向定向~ 45°(图2A),或形成大棒的堆叠平面在[110]-衬底表面(图2A)上,沿[001]方向相互平行,垂直于STO的[1ī0]方向。这种受限的生长显示出明确的明暗对比(图2C y 2D),对应于向上下来分别为铁电畴;即,具有相反极化的畴沿平面外取向,畴壁为180°的特征。由于约束条件的不同,生长在[100]衬底上的KNNLa薄膜呈现指向下来极化和矫顽力值较高;而在[110]衬底上生长的KNNLa薄膜,畴是随着极化指向而生长的向上矫顽力较低。

图2所示。在STO衬底上生长的KNNLa薄膜的原子力显微镜形貌和面外压电力显微镜图像:(A和C分别)有取向[100],(B和D)有取向[110]。

总之,我们的研究结果表明,受衬底表面结构参数的限制,铁电畴具有高有序性,预示着溅射技术在畴应变工程中的巨大潜力。

H´Linh´Mŏk, Oscar Raymond-Herrera
纳米科学中心Nanotecnología,国立大学Autónoma m.m.acei 14, Ensenada, Baja California, m.m.acei

出版

溅射制备SrTiO3表面(K0.5Na0.5)0.985La0.005NbO3外延膜的结构及压电-铁电关系研究
H Mŏk HL, Martínez-Aguilar E, Gervacio-Arciniega JJ, Vendrell X, Siqueiros-Beltrones JM, Raymond-Herrera O
2017年12月18日
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