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研究生:傅煥欽
研究生(外文):Huan-Chin Fu
論文名稱:BTO/SRO磊晶薄膜層狀成長機制之研究
論文名稱(外文):Study on Layer-by-Layer Growth Mechanism of BTO/SRO Epitaxial Thin Films
指導教授:陳宜君陳宜君引用關係
指導教授(外文):Yi-Chun Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:物理學系碩博士班
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:89
中文關鍵詞:失配應變層狀成長釕酸鍶濺鍍
外文關鍵詞:SrRuO3Layer-by-LayerSputterMismatch strain
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在本研究中,首先利用釕酸鍶(SrRuO3,簡稱SRO)材料成長在鈦酸鍶(SrTiO3,簡稱STO)基板上,探討濺鍍系統中的各個參數,分別對於薄膜生長的影響,以期望能瞭解參數調製的規則,達到控制薄膜以層狀(Layer-by-Layer)的方式成長。接下來以層狀成長為基礎,成長鐵電材料鈦酸鋇(BaTiO3,簡稱BTO)於SRO/STO系統上。製作不同BTO厚度系列,探討失配應變對鐵電性質的影響。
我們發現由晶格不匹配造成的失配應變會讓薄膜成長的模式由層狀成長(layer by layer)轉為先層狀後島狀(layer then island)的成長,存在一臨界厚度,本實驗BTO/SRO系統介於6~15nm之間。我們成長不同BTO厚度的樣品,由x-ray晶相鑑定計算個別樣品所受的失配應變。之後對樣品作微觀壓電係數d33之量測,發現在外加電場下,受到失配應變程度越大的樣品,其壓電係數越小。推測是由於失配應變束縛住介面幾層的晶格,使其無法隨外加電場做形變。另外我們將樣品作介電常數對頻率的分析,發現隨著所受失配應變的程度越大,其介電常數的值越小,而弛豫時間隨著失配應變的程度增加而變大。這個結果說明了在失配應變較大的條件下,相當於是提高粒子從某一能態過渡到另一穩定態所需要跨越的位障,也就是受到外加電場時,電偶極翻轉所需要的時間較長。
In this study, we deposited SrRuO3 (SRO) on SrTiO3 (STO) substrate to investigate how the parameters of sputter system affected the growth mode during the thin-film deposition process. The objective is to build a rule for controlling deposition parameters so that the thin films can grow layer-by-layer. Based on layer-by-layer growth, we deposited epitaxial BaTiO3 (BTO)/SRO/STO ferroelectric heterostructure to study how mismatch-strain affected the ferroelectric characteristics.
We find out that the mismatch-strain will change the growth mode from layer-by-layer to layer-then-island, and the critical thickness of the BTO/SRO materials system deposited by sputter is between 6~15 nm. We deposited BTO with different thickness, and calculated the mismatch-strain of each samples from x-ray spectrum. We also measured the piezoresponse constant d33 of each samples. We find out that with the mismatch-strain increase, the d33 decrease. It’s probably because the mismatch-strain restricted the adjacent lattices at the interface so that it can’t be extended along the external electric field. Moreover, with the mismatch-strain increase, the dielectric constants decrease, whereas the relaxation time increases. This result implied that the mismatch-strain raise the energy barrier of polarization switching so that it have to spend more time to transit from one energy state to a more stable state.
目錄
摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 Ⅶ
圖目錄 Ⅷ


第一章 緒論 1
第二章 文獻回顧 3
2.1 多鐵性材料 3
2.1.1 多鐵性簡介 3
2.1.2 多鐵性材料理論基礎 6
2.1.3 多鐵性材料近期研究 9
2.2 介電與鐵電材料 13
2.2.1介電理論 13
2.2.2鐵電基本介紹 18
2.2.3鈦酸鋇材料簡介 22
2.3 薄膜成長與失配 24
2.3.1 成長模型簡介 24
2.3.2 層狀成長近期研究 28
2.3.3 失配應變與失配差排 34
第三章 實驗方法 37
3.1鐵電薄膜的製作 37
3.1.1薄膜濺鍍原理 37
3.1.2 鈦酸鍶基板處理 39
3.1.3 鈦酸鋇/釕酸鍶薄膜濺鍍 41
3.2薄膜性質量測與分析 43
3.2.1 原子力顯微鏡(AFM)表面形貌量測 43
3.2.2 X光繞射分析儀(XRD) 46
3.2.3鐵電性質分析 47
3.2.4實驗流程圖 48
第四章 結果與討論 49
4.1 不同濺鍍參數對薄膜結構影響 49
4.1.1不同製程壓力對薄膜結構影響 49
4.1.2不同製程溫度對薄膜結構影響 54
4.1.3不同製程瓦數對薄膜結構影響 59
4.1.4不同製程氣氛對薄膜結構影響 64
4.2不同厚度之BTO/SRO磊晶薄膜特性比較 69
第五章 結論 85
參考資料 87
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