铁电超晶格(薄膜)简介
一种铁电超晶格的制备及其性能分析
一种铁电超晶格的制备及其性能分析黄奇辉【摘要】采用射频磁控溅射工艺,制备了三周期铁电超晶格[PZT/LNO]3/Si.对周期结构样品的结晶取向、表面形貌、电滞回线、反射光谱、膜厚等特性的一系列测试分析显示,制备的样品表面较平整,颗粒尺寸均很小,晶格匹配可以诱导择优取向,铁电性能优于单层膜;对光产生了干涉效应,可作为信息存储与传播材料,亦可应用于非制冷红外焦平面器件.【期刊名称】《厦门理工学院学报》【年(卷),期】2017(025)005【总页数】4页(P57-60)【关键词】铁电超晶格;PZT铁电薄膜;LNO薄膜;磁控溅射【作者】黄奇辉【作者单位】厦门理工学院光电与通信工程学院, 福建厦门361024;福建省光电技术与器件重点实验室, 福建厦门361024【正文语种】中文【中图分类】TB32Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT)是一种压电陶瓷介质薄膜，具有铁电性能[1]。
铁电薄膜具有良好的介电、铁电、压电、热释电和电光特性，是制备各种微电子、光电子集成器件，如非易失性存储器、微传感器、微执行器和光调制器等的重要材料[2-3]。
超晶格是A、B两种材料交替生长形成的一种周期性结构[4]，由铁电材料制作的超晶格称为铁电超晶格[5]。
有研究显示，铁电超晶格的特性与原有铁电薄膜的性能有明显的不同，如巨大的介电常数、增强的铁电特性等[6]。
因此铁电多层膜和超晶格是获得具有良好性能的铁电薄膜材料，并探索新的物理现象的有效途径。
铅基铁电超晶格由于铅的挥发而使样品的制备变得困难，因此有关铅基铁电超晶格的研究不多。
已报道的这类铁电超晶格主要有：PbZrO3/PbTiO3和PbZr0.4Ti0.6O3(PZT40)/PbZrO3(PZ)等[7]。
LaNiO3(LNO)是一种金属性材料，常用作薄膜缓冲层。
由于LNO和PZT晶格常数匹配，可以诱导择优取向，因此用LNO和PZT制作超晶格，可以让PZT更容易制备，并形成三明治结构，具备干涉效应，相干相长，从而增强PZT的性能。
铁电材料中的极性拓扑结构
专题：电介质材料和物理铁电材料中的极性拓扑结构*谭丛兵1)2) 钟向丽2) 王金斌2)†1) (湖南科技大学物理与电子科学学院, 湘潭 411201)2) (湘潭大学材料科学与工程学院, 湘潭 411105)(2020 年2 月28日收到; 2020 年3 月27日收到修改稿)调控磁性材料中的自旋拓扑结构(流量闭合型、涡旋、半子(meron)、斯格明子(skyrmion)等自旋组态)可以改进材料的磁性和电磁性能, 因而引起了学术界的广泛关注. 最近研究表明, 在尺寸效应、界面耦合及其相互作用、外延应变等作用下, 铁电材料中也会出现自发的极性拓扑畴结构, 同时表现出新的铁电相结构和丰富的物理性能. 本文总结了铁电纳米结构、铁电薄膜和铁电超晶格中的极性拓扑畴结构类型及其形成机理, 分析了这些极性拓扑结构与铁电、压电、介电、光电性能之间的关联, 并分别讨论了铁电材料中极性拓扑结构的整体拓扑相变调控和单个极性拓扑结构的外场调控, 最后展望了极性拓扑结构未来的可能研究方向.关键词：铁电材料, 铁电畴, 极性拓扑结构, 调控PACS：77.80.Dj, 75.70.Kw, 77.84.–s, 75.60.Ch DOI: 10.7498/aps.69.202003111 引 言铁电材料在室温下存在非挥发性的铁电自发极化, 外加电场可以改变极化方向. 局部有序的自发极化形成的铁电畴和畴壁结构很大程度上决定了铁电材料的铁电性、压电性、介电性、热释电性、电光效应等特性. 铁电畴结构在纳米尺度上可调控, 使铁电材料在数据存储/处理、传感、谐振和能源等先进纳米功能器件中具有重大应用潜力[1−9].例如, 基于电场作用下铁电畴翻转的低维铁电结构可以用来制备下一代高密度铁电非挥发性随机存储器[5,10−12]. 但随着存储器的密度增加到Gbit/in2量级, 存储数据的独立存储单元尺寸已经减小到约10 nm, 尺寸缩减将产生明显的尺寸效应和表面效应, 进而引起铁电材料中的畴结构发生变化, 这将会影响存储数据的存储、读取, 甚至会使存储的数据失效[13]. 因此, 依靠传统的存储单元尺寸减小来提高存储密度的方法已经大受限制, 更小的新信息存储单元的研究将需要另辟蹊径.2013年, 诺贝尔物理学奖获得者Fert 教授等[14]提出以具有拓扑保护特性的磁性拓扑缺陷(如磁斯格明子)作为信息存储单元, 用其存在与否来记录二进制信息的“1”和“0”, 可实现非接触式读写,引起了人们在磁性自旋自发形成的磁性拓扑结构在纳米自旋电子学的潜在应用方面的极大兴趣. 但是研究人员在实验上观测到的磁性拓扑结构尺寸都在20 nm以上[15−21], 这引出了一个问题: 在铁电材料中, 与磁性材料中的磁性自旋结构类似的电偶极子(自发铁电极化)是否可以实现类似排列,形成更小尺寸的极性拓扑结构. Naumov等[22]曾采用第一性原理计算, 预言铁电纳米点中可能存在尺寸小至3.2 nm的双稳态极性涡旋畴结构, 并从理论上推测基于这种极性拓扑结构的信息存储单元理论上可以实现面积密度超过60 Tbit/in2的超高密度存储器. 最近几年来, 陆续有研究人员通过* 国家自然科学基金(批准号: 11875229, 51872251)资助的课题.† 通信作者. E-mail: jbwang@© 2020 中国物理学会 Chinese Physical Society 压电力显微镜(PFM)在钙钛矿铁电薄膜中观测到了多种类型的极性拓扑结构[23−28], 这些电场可控的拓扑状态具有独特的电传导特性, 并可实现非破坏性写入与读出[29−33]. 随着扫描透射电子显微镜(STEM)的发展, 研究人员在钙钛矿铁电薄膜中获得了纳米级极性拓扑畴的原子级结构信息[34−41].发现这种极化拓扑能够在室温稳定存在, 且无需外场诱导产生, 具有类似磁性自旋拓扑结构的准粒子行为, 相对更容易实现后续动力学行为研究和调控, 这些原子尺度的极性拓扑畴结构无疑将为研制拓扑纳米电子器件开辟一条新途径[1,5,8].本文首先简要介绍磁性材料中的拓扑结构, 然后重点介绍铁电材料中的极性拓扑结构和相关的特性, 最后探讨有待研究的问题和新的方向.2 磁性材料中的自旋拓扑结构早在20世纪40年代, Kittel[42]就提出, 因为晶体各向异性能和相邻自旋磁矩的耦合作用, 磁性材料中可能存在不同的磁畴结构. 当晶体各向异性能量占主导地位时, 平凡的磁畴壁(图1(a))会形成全通量闭合结构(图1(b)), 而当相邻磁矩之间的耦合作用超过各向异性能时, 可能出现涡旋或反涡旋状结构, 如图1(c)和图1(d). Mermin[43]将这类特殊畴结构定义为拓扑缺陷, 即序参数停止连续变化且具有低维奇异性的区域. 一般来讲, 铁磁畴壁可归类为二维平凡的拓扑缺陷[44], 而更为复杂的通量闭合型、涡旋、反涡旋[45−52]、中心畴、磁性斯格明子[15,53−57]等结构可归类为准一维非平凡的拓扑缺陷, 微结构如图1(e)—(h)所示. 磁性拓扑畴结构的形成主要是由纳米磁性材料的巨大退磁作用引起的, 这种退磁作用使磁矩旋度增大, 使静磁能量降至最低. 这些纳米尺度的旋转自旋结构,特别是磁性斯格明子, 具有非平凡的真实空间拓扑结构, 形成紧凑和自组织的晶格形式, 满足经典的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用规律[58], 在拓扑保护下激发、湮灭和可控制运动. 这些奇异的特性为未来的高密度、高速度、低能耗信息存储器件的核心材料应用提供了巨大的潜力[59].类似于磁性材料中未成对电子形成的净自旋在居里温度以下形成自发磁极化, 在居里温度以下, 铁电材料中晶体对称性畸变诱导正、负离子相对偏移从而形成电偶极矩, 即自发铁电极化. 局部有序的自发极化形成铁电畴结构. 当铁电材料体系被缩小到很小尺寸低维铁电体时, 在表面退极化场、应变和静电能的竞争作用下, 自发铁电极化可能形成非平凡的、平滑变化的极性拓扑畴结构[6,60].近期, 研究人员已经从理论预测和实验观察上证实了在弹性能、静电能和梯度能相互作用下, 铁电材料中可以形成尺度更小的极性拓扑结构, 如通量闭合畴结构、涡旋畴、泡泡畴和手性斯格明子等,且显著影响材料的压电、介电、非线性光学等特性[22,25,29−35,39,41,61−70]. 本文将简要讨论铁电材料中因尺寸限制而出现的极性拓扑结构及其动力学问题.(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)图 1 磁性材料中典型自旋拓扑缺陷结构 (a) 畴壁结构[42]; (b) 流量闭合畴结构[42]; (c) 涡旋[43]; (d) 反涡旋[43]; (e) 中心发散型结构[43]; (f) 中心收敛型结构[43]; (g) 半子[43,70]; (h) 斯格明子[43,70]Fig. 1. Typical spin topology defects in magnetic materials: (a) Domain wall[42]; (b) flux-closure pattern[42]; (c) vortex[43]; (d) anti-vortex[43]; (e) center-divergent pattern[43]; (f) center-convergent pattern[43]; (g) meron[43,70]; (h) skyrmion[43,70].3 铁电材料中的极性拓扑结构3.1 铁电纳米颗粒中的极性拓扑畴相对于铁电体材料而言, 纳米尺度的点/岛状铁电颗粒结构中因巨大的退极化场更易形成奇异的拓扑畴结构, 这种相互独立极化拓扑畴易于进行进一步的电场控制, 并可能与高密度集成加工兼容, 低维纳米结构中的设计与实现对未来的实际应用具有重要意义. 文献[22, 28, 62, 71−74]通过第一性原理计算对低维铁电纳米颗粒中可能出现的拓扑结构进行了深入的研究. 他们预测, 在强退极化场作用下, 铁电纳米颗粒中出现直径小于4 nm 的稳定极化涡旋对畴对结构, 如图2(a)—(c)所示.在外加电场作用下极化涡旋可以转变成平凡的铁电畴, 这样的极性拓扑畴结构也消除了相邻纳米点之间的串扰问题, 在超高密度存储器件中有巨大应用潜力. 随后, 研究人员做了大量的理论和实验工作来证实在铁电纳米颗粒中存在稳定的极化拓扑畴结构. Chen等[75]通过蒙特卡罗模拟发现在圆形纳米岛屿状BaTiO3 (BTO)颗粒中存在稳定的极化涡旋(见图2(d)). 大量的实验研究也发现了在铁电纳米颗粒中存在类似旋涡的通量闭合拓扑畴结构. 例如, Rodriguez等[28]报道了在AAO模板法制备的Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)纳米柱状阵列中出现少量极化通量闭合拓扑畴, 如图2(e)所示. 如(a)(b)(c)(d)(e)(h)(g)(f)(i)(j)40302010010203040200 nm 200 nmAFM LPFM LPFMc-AFM c-AFM图 2 铁电纳米颗粒中典型的极性拓扑结构 (a) 超小纳米片中的极性涡旋结构[22,71]; (b) 纳米杆中的极性涡旋结构[22,71]; (c) 纳米点中的极性涡旋结构[74]; (d) BTO纳米岛中的极性涡旋[75]; (e) PZT纳米岛中的涡旋畴[28]; (f) BFO纳米岛中涡旋-反涡旋对结构[76,77]; (g) BFO纳米岛中的中心发散型畴结构[76−78]; (h) BTO单晶颗粒中的通量闭合畴[64,79]; (i), (j) BFO纳米岛中的可转换中心发散-收敛型畴结构及其导电特性[29−31]Fig. 2. Typical polar topologies in ferroelectric materials: (a) Polar vortex in nanodisks[22,71]; (b) polar vortex in nanorods[22,71];(c) polar vortex in nanodots[74]; (d) vortex in BTO nanoislands[75]; (e) vortex domain in PZT nanodots[28]; (f) anti-vortex domain in BFO films[76,77]; (g) center-divergent domain in BFO films[76−78]; (h) flux-closure pattern in BTO crystal[64,79]; (i), (j) center-divergent (convergent) domain in BFO nanoislands[29−31].图2(f)—(h)所示, 在BiFeO 3 (BFO)纳米柱状阵列中观测到中心发散、中心收敛和双中心型拓扑畴结构[76−78]. 文献[64, 79]在采用聚焦离子束(FIB)技术所制备的自由基BTO 纳米颗粒中观察到通量闭合畴结构. 在脉冲激光沉积(PLD)法制备的自组装BFO 纳米柱状阵列中也观测到通量闭合畴结构[29−31], 如图2(i)和图2(j)所示. 以上极化拓扑畴结构的观测都是采用极化矢量压电力显微镜分析与相场模拟结果进行比对而重构出来的特殊畴结构. 实验上观测到的极化拓扑畴结构多数为不规则的通量闭合型或中心发散(收敛)型拓扑结构, 而不是理论预测的极化涡旋畴[22,71]. 原因可能是因为, 受PFM 的分辨率限制, 这些被研究的纳米结构尺寸相对较大(> 50 nm), 表面电荷或点缺陷的屏蔽作用降低了退极化强度, 不足以克服涡旋畴的形成或极化旋转所需要的能量消耗. 最近研究表明, 自组装BFO 纳米柱状阵列中观测到的中心发散和中心收敛型拓扑畴可以在电场作用下进行可逆地转换, 不同拓扑结构显示出奇异的畴壁导电特性[29−31], 如图2(i)和图2(j)所示. 这意味着这种极化拓扑结构可以实现电场控制下单独的地址编码,对于拓扑畴结构在无损读出信息存储应用中具有巨大的潜力.3.2 铁电薄膜中极性拓扑结构由于表面电荷或点缺陷的屏蔽作用, 铁电纳米颗粒的退极化强度降低, 导致形成极性拓扑结构的概率相应减小, 尺寸限制下的体状铁电材料可以有效降低电荷屏蔽效应, 可能是一种构建极性拓扑结构的有效方法[6]. Chang 等[26]发现在单晶片状[Pb(Zn 1/3Nb 2/3)O 3]0.88[PbTiO 3]0.12 (PZNPT)中可以自发形成多级多畴结构, 在这些多畴结构的交界处可以自发形成极化通量闭合型拓扑结构, 类似的结构在单晶片状BTO [25]中也被观察到. 进一步研究表明, 这种拓扑畴中心在外加电场下可以发生移动、合并和分裂等行为[27], 如图3所示.另一方面, 通过超薄膜的外延应力或应用外加场在铁电薄膜中可以创建稳态极化拓扑畴结构. 随着外延薄膜厚度的减小, 来自基底的失配应力在薄膜内逐渐起主导作用, 而自发形成特殊的畴结构.Matzen 等[80]报道了30 nm 厚的Pb x Sr 1–x TiO 3薄膜可以自发形成微米尺度的极化通量闭合型拓扑畴结构. 2009年, Balke 等[66]采用原子力显微镜(AFM)导电探针诱导超薄BFO 铁电薄膜铁弹畴定向翻转, 首次在铁电薄膜中创建了稳态极化通量闭合拓扑畴[23]. 利用AFM 导电探针诱导BFO 中畴的定向翻转, 拓扑畴可以在通量闭合型与中心发散或中心收敛型拓扑畴之间相互转换, 后者中心因为荷电畴壁的存在而致中心的导电性大幅提高[65],如图4(a)和图4(b)所示. Vasudevan 等[68]利用AFM 导电探针产生的局部电场在BFO 铁电薄膜中诱导出通量闭合型[24]、中心发散型和中心收敛型等多种极化拓扑畴结构, 实验结果得到了相场模拟的证实, 详见图4(c)和图4(d). Li 等[67]报道了1 m m1 m m<100><100>T i m ex (t )(i)(ii)(iii)246810Time/h1.20.80.40-0.4-0.8V e r t e x s e p a r a t i o n ( )/m miiiiii0246810Time/h-13-14-15-16-17-18-19l n ( )(a)(b)图 3 铁电材料中通量闭合型拓扑畴的可移动性 (a) 单晶片状PZNPT 中自组装多级多畴通量闭合型拓扑畴[26]; (b) 通量闭合型拓扑畴中心在外加电场下移动、合并和分裂[27]Fig. 3. Mobility of flux-closed topological domains in ferroelectric materials: (a) Bundles-like domain structures at the edges of the PZNPT single crystal lamella [26]; (b) approach, coalesce and separate of the vertices after delivery of a prepoling field pulse [27].利用AFM 导电探针产生的局部电场在BFO 铁电薄膜中诱导出涡旋-反涡旋对, 通过PFM 研究了极化涡旋结构在纳米尺度上的演化过程, 实现了对极化涡旋拓扑畴结构的连续读和写, 为基于极性涡旋畴结构的非易失性存储器件和逻辑器件的设计与实现提供了实验依据.PFM 技术是利用铁电材料的逆压电效用, 通过有限大小(约15 nm)的通有高频交流电压的导电探针来进行畴结构测试, 空间分辨率受到很大限制, 难以观测到更小尺度的极性拓扑结构[81]. 随着先进的透射电子显微镜的快速发展, 研究人员可以从截面观察铁电薄膜中更小尺度的不同类型极化拓扑畴结构. 2009年, Jia 等[34]首次利用球差校正的扫描透射电子显微镜在PZT 超薄膜中畴壁与基底交界处观察到原子尺度的通量闭合型拓扑畴结构. 接着, Nelson 等[63]采用同样的技术, 在多铁性BFO 薄膜的畴壁附近也发现了类似的极化通量闭合型拓扑畴结构. 这种拓扑结构只出现在薄膜与基底的交界面附近, 说明这种拓扑结构的形成主要取决于退极化能量的作用. 最近, 文献[37, 82]采用外延三明治结构将超薄的BFO 薄膜夹在两层介电薄膜中间, 可以获得稳定的呈链状排列的极化涡旋畴[38], 特别值得注意的是单个极化涡旋拓扑畴结构在尺寸上可以小至4 nm, 如图5所示.500 nm300 nm12(a)(c)100 nm500 nm100 nm(d)图 4 铁电薄膜中极性拓扑畴的导电性: PFM 导电探针在超薄BFO 铁电薄膜诱导的通量闭合型畴结构(a)及其中心的导电性(b)[65,66]; BFO 铁电薄膜中通量闭合型与中心发散(收敛)型畴可逆转换(c)及其导电性差异(d)[24,68]Fig. 4. Conductivity of polar topological domains in ferroelectric thin films. Creation (a) and conductivity (b) of the flux-closure do-main in BFO films [65,66]; (c) flux- closure domain and center-divergent (convergent) domain in BiFeO 3 films and (d) their conductiv-ity [24,68].磁性材料中的手性斯格明子拓扑畴结构给材料本身带来丰富物理特性, 特别是在低功耗、超高密度(超过几十Tb·in–2)信息存储方面有潜在应用[14,59]. 铁电材料中极性泡泡畴结构被认为是铁电性斯格明子的前体. 根据Kornev等[61]的理论预测, 为了使这类泡泡畴稳定, 它们必须同时具有面内和面外的极化分量, 并且极性泡泡畴和铁电体材料之间的界面必须具有极化旋转, 以使偶极矩通量最小. Zhang等[83]利用高分辨率PFM和原子分辨率STEM在超薄外延PZT/STO/PZT铁电三明治结构中观察到了一种新型的纳米级铁电畴, 称为“气泡畴”, 如图6(a)所示, 即约10 nm尺寸的侧向约束球体, 其局部偶极矩的方向与周围铁电体材料的宏观极化方向相反. 这是由于这些区域电荷与晶格自由度的相互作用, 不相称的相位和对称性的破坏导致了局部极化旋转, 从而使得气泡畴壁具有尼尔-布洛赫混合特征. 另外, 气泡区域的PFM 电滞回线表明, 在电场作用下, 极性泡泡畴可以出现局部移动与合并, 如图6(b)所示.研究者们也发现可以利用扫描探针显微镜(SPM)方法驱动上述纳米级铁电泡泡畴与圆柱形畴结构之间发生可逆转化. 具体过程是通过SPM 针尖施加机械应力, 可以消除具有旋转极化的约10 nm球状泡泡拓扑畴. 然后应用振幅和持续时间特定组合的电脉冲可以重建泡泡拓扑畴, 过程如图6(c)所示. 这种简单而有效地在各种拓扑缺陷状态之间进行切换, 对纳米电子传感器、存储器、逻辑器件和机电系统的应用具有重要意义[84].3.3 铁电/介电超晶格中的极性拓扑结构在铁电纳米颗粒和超薄薄膜中观察到的极化拓扑畴结构多数是零星分布的通量闭合类型和涡旋状极性拓扑结构. 在铁电纳米颗粒或岛状结构上很难形成稳定的涡旋拓扑畴结构, 这一方面可能是因为退极化场不够大, 不足以克服由于涡旋畴的形成或极化旋转所需要的能量消耗. 另一方面也可能是由于表面电荷或点缺陷的过度屏蔽减小了退极化强度. 研究人员从第一性原理理论上预言了铁电/介电超晶格薄膜中因为氧八面体旋转而出现极化涡旋结构[85−87], 铁电复合薄膜结构中可稳定存在极化斯格明子结构[88]. 这样的拓扑结构由于丰富的物理特性和在自旋电子学中的广泛应用而引起了人们越来越多的兴趣. 实验上在2015年获得了突破, Tang等[35]将超薄PTO铁电薄膜限制在两个绝缘SrTiO3 (STO)层之间, 减小退极化场的屏蔽效应. 即通过脉冲激光沉积方法在单晶GdScO340 pm10 nm2 nm50 nm1 nm1 nm[001][001]GSOTSOBFO 4334(b)(c)(a)图 5 铁电薄膜中极性拓扑畴的TEM观察 (a) PZT薄膜中通量闭合型拓扑畴PZT[34]; (b)超薄BFO薄膜中涡旋畴[82]; (c)超薄BFO中的通量闭合型拓扑畴[37]Fig. 5. Observation of the polar topological domains in ferroelectric thin films: (a) Flux-closure domains in ferroelectric PZT[34];(b) vortex domains in ferroelectric BFO ultrathin films[82]; (c) flux-closure domains in ferroelectric BFO ultrathin films[37].(GSO)衬底上外延生长出PTO/STO 超晶格, 利用STEM 观察到了规则排列的通量闭合型拓扑畴阵列(图7(a))[35−37]. 2016年, Yadav 等[39]将PTO/STO 超晶格外延生长在单晶DyScO 3 (DSO)衬底上, 这些超晶格具有更薄的铁电PTO 层(约为4 nm), 观察到了完美的极性涡旋阵列, 并表现出明显的手性特征[89], Sun 等[90]对这种小至4 nm 的极性涡旋畴进行了亚单胞级精细表征, 具体如图7(b)所示. 结果表明减小尺寸约束是稳定极性涡旋结构的另一个重要因素, 在同等退极化场的屏蔽效应下, 更小的铁电PTO 层厚度(小于10个单胞)有利于极化连续旋转, 形成稳定的极性涡旋畴结构. Hong 等[40]通过相场理论模拟了在DSO 衬底上外延生长的(PTO)m /(STO)n (m , n 为单胞数)超晶格中极性拓扑畴结构. 结果表明, 在不同的铁电、介电层厚度情况下, PTO/STO 超晶格中静电、弹性和极化梯度相关的能量项之间存在一种微妙的竞争, 从而导致了与厚度相关的拓扑畴态, 见图7(c). 研究者基于Landau-Ginzburg 唯象理论的简化准二维分析模型预测了形成稳定通量闭合畴和涡旋畴的厚度尺度窗口, 认为极化涡旋畴和通量闭合畴的临界尺度比铁电体材料的畴壁本征宽度大一个数量级. 由于正常铁电体的畴壁应该是几个晶胞宽, 所以通量闭合畴和极化涡旋畴的临界尺度应该分别约为10和4 nm. 低于临界尺度, 退极化场非常强, 没有任何极性拓扑畴状态是稳定的,因此会产生一个平面内的畴结构. 需要指出的是,这一临界厚度尺度规律主要是由退极化能与畴壁能的竞争决定的, 通过它可以估算空间约束系统中涡旋畴或类似拓扑结构的特征尺度. 它也可以作为一个简单直观的设计规则, 用于搜索新的拓扑结构, 材料系统, 并为设计和调整涡旋和其他极性拓扑畴提供指导.磁斯格明子是拓扑上非平凡的自旋结构, 在纳100 nmDeg 80706050STO 1—4 u.c.S T O(001)s u b s t r a t eP Z T 7 u .c .PZ T 7 u .c .L S M O ~15n m(a)II nanoscale domains2 nm(b)A m p l i t u d eP h a s epmDeg806040200806040200(c)Under external electric fieldInitial bubble domains Domain growth Domain mergingand coarseningForcePZT/1 uc. STO/PZT/LSMO//STO (001)0.5 s0.2 s0.1 s0.05 s0.02s0.01s50 nmA m p /a r b . u n i t sA m p /a rb . u n i t sAs -grown ErasureRecreationAmp line profile of recreated domains Amp line profile of relaxed domainsRelaxation(d)图 6 铁电薄膜中极性泡泡畴 (a) PZT 薄膜中极性泡泡畴; (b) 极性泡泡畴微结构; (c) 极性泡泡畴移动与合并[83] ; (d) PFM 下极性泡泡畴擦与写[84]Fig. 6. Observation of the polar bubble-like domains in ferroelectric thin films: (a) Polar bubble domains in PZT thin films;(b) structure of the bubble domains; (c) merging and coarsening of the polar bubble domains [83]; (d) erasuring and recreation of the polar bubble domains [84].米尺度的自旋电子器件中作为稳定的信息载体有着巨大的潜力. 长期以来, 研究人员一直想知道铁电体是否会呈现出类似于具有手性特征的磁性斯格明子拓扑结构, 对PTO/STO 铁电超晶格的进一步探索导致了更多的发现, Das 等[41]采用4D-STEM 技术深入地研究了外延生长在单晶SrTiO 3(STO)衬底上的(PTO)16/(STO)16超晶格内的铁电极化分布, 见图7(d). 结果表明, 在源自STO 衬底失配应力可以忽略的条件下, 铁电层PTO 中的极化分布显示铁电畴壁呈环状, 畴壁的旋转极化和畴壁内部的极化环形成一个整体, 如图7(d)中插图所示, 这种极化的旋转方向使偶极子的整体模式具有手性特征, 符合磁性斯格明子的关键特征.同时相场模拟和第二原理计算(second-principles calculations, 一种基于第一性原理可以模拟大尺度极化分布的方法)[41,91,92]表明, 这种极性斯格明子的拓扑数为+1, 共振软X 射线衍射实验显示了圆二色性, 证实了宏观手性特征.在有限铁电系统中发现的极性斯格明子激发了新的拓扑状态的研究热情, 这些拓扑状态与磁拓扑状态类似, 但尺度更小. 这些奇异态不仅为更致密、更快的信息存储器件带来了希望, 而且在调控铁电体的整体物理行为方面也起着重要的作用. 例如, 与涡旋拓扑结构相关联的负电容行为, 这可能有助于降低晶体管的功耗[92,93]. 当然还有许多其他问题和挑战, 包括如何实现单个极性斯格明子转(b)STO STO STOSTOPTO PTO PTO GdScO 350 nm1 nm(a)61218243036424854in [(PTO) /(STO) ]0.200.250.300.350.400.45E n e r g y d e n s i t y /108 J S m -3SIMTEMSIMTEMSIMTEM[010]pc[010]pc [100]pc [100]pc1/ 2VortexFlux closure(c)(d)图 7 铁电超晶格(PTO/STO)中的拓扑畴结构 (a) PTO/STO 超晶格中通量闭合型拓扑畴阵列[35]; (b) PTO/STO 超晶格中极性涡旋拓扑畴阵列[39,90]; (c) PTO/STO 超晶格中拓扑畴结构演化相图[40]; (d) PTO/STO 超晶格中斯格明子拓扑畴结构[41]Fig. 7. Polar topological domains in PTO/STO superlattices: (a) Flux-closure domain arrays in a PTO/STO superlattices on GdScO 3 substrate [35]; (b) polar vortex domain arrays in PTO/STO superlattices on DSO substrate [39,90]; (c) a calculated phase dia-gram for PTO m /STO n illustrating the length scales within which different topological states can be stabilized [40]; (d) polar skyrmion bubbles in a PTO/STO superlattices on STO substrate [41].换、移动、创建和消除等[94], 以及相应的转换能量、速度和保持性等.4 铁电材料中极性拓扑结构的外场调控4.1 极性拓扑结构的整体拓扑相变调控在PTO/STO 铁电超晶格中, 由于其介电层STO 绝缘界面处的退极化场和衬底DSO 的外延约束所产生的静电能和弹性能的多能量竞争, 而形成极性涡旋阵列[39]. 研究者们进一步发现, 改变超晶格层厚度, 在PTO/STO 超晶格中发现了新型手性极性涡旋相与相应铁电相共存的复杂多维结构, 能够产生有趣的物理响应, 如手性、负电容和大的压电响应[92,95,96]. 在衬底外延应力约束下, 对于短周期超晶格(PTO n /STO n , n = 4—10个单胞), PFM 和同步辐射RSM 研究结果显示完全的面内取向极化, 与传统a 1/a 2铁电畴结构一致. 但对于n = 16的超晶格, PFM 和RSM 测试结果表明, 沿[100]pc 方向形成周期性条带结构, 见图8(a),由铁电相(a 1/a 2畴)与涡旋相交替排列形成[95]. 超晶格的TEM 截面样观测结果, 如图8(b)所示, 也显示涡旋结构和a 1/a 2畴共存, 揭示了铁电相与涡旋相的较窄交界区域[96]. 如图8(c)所示, 相场模拟重现了这一过程, 由于涡旋中心的偏移, 整个涡旋结构呈现出平面内的净极化, 该净极化方向与相邻a 畴的平面方向一致, 使得涡旋的平面内分量与a 畴极化合并形成连续边界. Damodaran 等[95]也报道了这种混合相结构在外场激励下显示出可控的响应. 如图8(d)所示, 利用AFM 导电探针将正向直流偏压作用于样品时, 混合相结构转变为均匀低压电响应的纯涡旋相; 在负直流偏压的作用下, 由此产生的纯涡旋相可反过来转换为铁电和涡旋相的混合结构. 这种转变过程也通过温度相关的原位同步辐X 射线衍射实验得到了证实, 如图8(e)所示, 在样品温度高至约200 °C 时, 混合相变成纯(a)D y S c O 3 | (P b T i O 3/S r T i O 3)17(b)3502501505022.222.422.622.823.023.223.423.623.8-2 /(O )T e m p e r a t u r e /CDyScO 3002pc1/ 2(1)(-1)(-2)(-2) (-1)(1)Vortex(e)4 m m4 m m4 m m(d)S r Ti O 3P bTi O 3S r Ti O 3Vo r ti c es1/2d oma in sP h a s e b o u n d a r y (c)HeatOptical pump LightSupercrystal phaseMixture of stripe phasesPbTiO 3PbTiO 3PbTiO 3SrTiO 3SrTiO 3 /C S m -21-1FE 1122SHard X -ray(f)图 8 铁电超晶格中的拓扑混合相结构及外场调控 (a) AFM 和PFM 显示铁电相a 1/a 2与涡旋相分布[95]; (b) TEM 和(c)理论计算显示铁电相a 1/a 2与涡旋相共存[96]; PTO/STO 超晶格中拓扑畴结构的(d)外电场、(e)温度和(f)光辐射的可逆调控[95,97]Fig. 8. Topological mixed phase structure and field control in ferroelectric superlattice: (a) Lateral piezoresponse force studies re-vealing the distribution of a 1/a 2 and vortex phases [95]; (b) dark field TEM image showing ferroelectric vortices and a 1/a 2-domain co-existence [96]; (c) phase field model of the a 1/a 2-domain/vortex boundary [96]; (d) reversible electric-field control of ferroelectric and vortex phases [95,97]; (e) temperature-dependent synchrotron X-ray diffraction on reversible switching of ferroelectric and vortex phases [95,97]; (f) reversible sub-picosecond optical pulses control of ferroelectric mixture and supercrystal structure [95,97].。
关于铁电超晶格材料的第一性原理计算
-
硕士学位论文
应变条件下铁电超晶格结构压电特性的第 一性原理研究
FIRST-PRINCIPLES STUDY OF PIEZOELECTRIC PROPERTIES OF STRAINED FERROELECTRIC
SUPERLATTICE STRUCTURE 贾志宏
哈尔滨工业大学 2014 年 12 月
层数 n 是影响(PT)n/(LA)n 和(PT)n/(KN)n 超晶格性能的一个重要因素。随着 n 值增加，体系的极化强度值和压电系数 ezz 降低，带隙变小。因极性不连续界 面而产生的内电场作用也随 n 值的增加而逐渐减弱。当 n 值大小一定时，随着体 系的应变情况由压应变逐渐转变到拉应变，(PT)n/(LA)n 和(PT)n/(KN)n 超晶格的 极化强度分别向（001）的负方向和正方向变大，但极化特性较 n=1 的体系弱。
LaAlO3顶层结构对LaAlO3-BaTiO3铁电超晶格薄膜性能的影响
的 ＳＴｉ３ Ｓ Ｏ） １ ０ 基 片 上生 长 Ｌ Ｏ／ Ｔ ｒ Ｏ （ Ｔ （０ ） Ａ Ｂ Ｏ超 晶格 薄膜 ， 具
维普资讯
Ｌ Ａ ０ 顶层结构对 Ｌ Ａ ０ 一ａ ｉ。 电超 晶格 薄膜性能的影响／ ａ １。 ａ ｌ ３ ＴＯ 铁 Ｂ 刘云杰等
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Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ
ｓ ｐ ｒａｔ ｅ ，ｔａｎ， ｒｙ ｄｆｒ ｃｉｎ，ｅ ａ ｔｐ ｌｒｚ ｔ ｎ ｕ ｅｌｔｉ ｓ ｓｒ ｉ Ｘ－ａ ｉｆａ ｔｏ ｒ ｍｎ ｎ ｏａ ｉ ｉ ｃ ａｏ
作为一类新 型的介 质薄 膜材料 ， 电超 晶格薄 膜在超 薄条 铁 件下具有 比块材更强 的介 电和 铁 电性能 ， Ａ ｒｉ在微 波频 如 Ｅ ｂｌ
刘云杰 郝 兰众 李 燕 邓 宏 ， ， ，
（ 中国石油大学 （ 东） １ 华 物理科 学与技术学院材料物理 系 ， 营 ２ ７ ６ ； 东 ５ ０ １
２ 电子科技大学微 电子与固体 电子学 院材料物理 与化学系 ， 成都 ６ ０ ５ ） １０ ４
材料物理09 铁电薄膜
28
7 铁电薄膜的发展展望
(6)铁电薄膜微观特性的表征，及其与宏观特性的对 应关系尚不清楚。 随着纳米科学技术的发展，制备纳米级铁电薄膜 已引起人们的重视，但是，如何表征纳米铁电薄膜 的特征，尚不十分清楚，需要发展新型的分析表征 手段和相关仪器，才有可能得到解决。这类纳米尺 度的特性与测出的宏观性能(特别是电学性能)的关系， 更有待深入的理论研究和实验验证。
Shaanxi University of Science & Technology
26
7 铁电薄膜发展展望
(4)铁电疲劳与老化限制了铁电薄膜的广泛应用。 尽管人们已找出疲劳效应小的铁电薄膜材料，如 SBT，但铁电疲劳和老化仍限制着铁电薄膜器件的 广泛应用。此外，对铁电体的开关特性而言，没有 精确的电压阀值，而且开关特性及与之相关的开关 电压和剩余极化还与铁电薄膜的疲劳和老化特性密 切相关，这更促使人们急切解决铁电薄膜的疲劳和 老化问题。
School of Materials Science & Engineering, 2011
铁电薄膜
Ferroelectric Thin Film
陕西科技大学材料科学与工程学院 授课教师：蒲永平
pu@physik.uni-halle.de
1 铁电薄膜的定义
具有铁电性、且厚度在数十纳米至数微米的薄膜材料
Shaanxi University of Science & Technology
15
One case
MFIS(Metal/Ferroelectric /Insulator/Semiconductor) 制备一个MFIS结构的无铅铁电薄膜场效应晶体管 的原型器件，并对它的电学性能进行表征。
PZT铁电薄膜实验报告要点
PZT铁电薄膜实验报告要点材料科学与工程学院基地班创新和任选实验论文高度取向锆钛酸铅铁电薄膜材料制备及性能优化姓名：严岑琪学号： 200900150260指导教师：欧阳俊日期：2013.1.5目录一、研究背景简介及研究意义 (3)1.1 PZT薄膜研究背景 (3)1.2 PZT铁电材料结构 (3)1.3 PZT薄膜发展现状及趋势 (4)1.4 PZT薄膜研究意义 (4)二、研究方法 (5)2.1 脉冲激光沉积法 (5)2.2 真空蒸发法 (5)2.3溶胶—凝胶法 (5)2.4 化学气相沉积法 (6)2.5 磁控溅射法 (6)三、试验用原材料及仪器设备 (7)3.1 试验用原材料 (7)3.2 试验用仪器设备 (7)四、实验步骤 (8)4.1 主要研究方法 (8)4.1.1 制备工艺流程 (8)4.1.2 性能检测 (8)4.2 PZT铁电薄膜的制备参数 (8)4.3 PZT铁电薄膜的制备过程 (8)五、实验结果记录与相关讨论 (9)5.1 XRD (9)5.2 电滞回线 (11)5.3 漏电电流特性 (14)5.4 介电行为 (15)六、结论 (16)七、参考文献 (16)一、研究背景简介及研究意义1.1 PZT薄膜研究背景铁电体是具有自发极化且自发极化矢量的取向能随外电场的改变而改变方向的材料。
铁电材料是一类强介电材料，其介电常数可高达102～106。
铁电材料具有优良的铁电、压电、热释电、电光、声光及非线性光学特性，集力、热、光、电等性能于一体，具有其它材料不可比拟的优越性能。
铁电材料的这些特殊性质使得它在超声换能器件、微机电耦合器件、高容量电容器、铁电存储器、电光快门、光控器件、成像与显示器件等多方面都具有广泛的应用前景。
另一方面，由于电子技术，信息技术和控制技术的发展，要求器件小型化和集成化，对新材料提出了新的要求。
PZT功能薄膜由于其优良的压电性能、热电性能、铁电性能、光电性能和介电性能被广泛地用于传感器，驱动器和各种精密仪器的控制部分。
超晶格材料及其在电子器件中的应用
超晶格材料及其在电子器件中的应用随着科技的发展，电子器件在我们的生活中扮演着越来越重要的角色。
而超晶格材料的出现，为电子器件的研究和应用带来了新的可能性。
本文将从以下几个方面介绍超晶格材料及其在电子器件中的应用。
一、什么是超晶格材料超晶格材料是一种周期性结构的纳米材料，其特点是具有晶格常数远小于常规微米晶体的尺寸范围（一般小于100纳米）以及产生可调控的物理和化学性质。
超晶格材料通常是由两种或多种材料构成的，可以通过压缩、拉伸或通过其他无需移除原子的方法来控制晶格常数。
这种材料的特性极为优越，有着广泛的应用前景。
二、超晶格材料在电子器件中的应用1. 传感器超晶格材料在传感器中的应用是一个热点研究领域。
超晶格材料的晶格常数和表面形态的特殊性质使其能够作为传感器的敏感层。
其灵敏度高、分辨率高、稳定性好，可以用于检测多种物质，如气体、液体、生物分子等。
2. 器件控制超晶格材料可以用于制造具有特殊性质的器件。
例如，通过控制超晶格材料的晶格常数，可以调节其电学性质，使其在电场作用下表现出特殊的电学响应。
这种响应可应用于制造电子器件中的门电流控制场效应晶体管（MOSFET），将其性能提高到一个新的高度。
3. 电池超晶格材料还可以用于制造高性能电池。
改变材料的晶格常数可以调节电子的传导、离子扩散速度和储存容量，最终提高电池的性能。
4. 激光超晶格材料中电子传导的能隙大小和布拉格衍射条件对激光的谐波产生有重要的影响。
利用这一特性，可以通过控制超晶格材料的晶格常数，调节激光的谐波输出，制造用于光通信与激光制造的高效激光器件。
5. 纳米微结构材料超晶格材料的制造方法也可以应用于制造其他纳米微结构材料。
例如，在光子晶体和表面等离激元中应用超晶格材料的技术，可以制造出具有特殊传输性质的光子晶体耦合器、分束器等。
三、超晶格材料面临的挑战虽然超晶格材料在电子器件中的应用前景广阔，但是也面临着许多挑战。
首先，超晶格材料的制备难度较大，目前几乎没有能够大规模制备的技术路线。
PZT铁电薄膜材料的制备技术
PZT铁电薄膜材料的制各技术1.铁电薄膜材料背景综述薄膜和层状结构工艺的进步对于集成电路和光电子器件的发展是至关重要的臼。
铁电薄膜是指具有铁电性、且厚度在数十纳米至数微米问的薄膜。
铁电材料的研究一般被认为是始于1920年，法国人发现了罗息盐，即酒石酸钾钠(NaKC4H4O6-4H2O),在外电场E作用下，其极化强度P有如图1所示滞后回线关系，表现出特殊的非线性介电行为。
由于图1的P・E 关系曲线有和铁磁体的关系曲线相类似的特点，因而P-E关系被称为电滞回线(Hysteiesisloop)拥有这种特性的晶体被称为“铁电体”，相应的材料被称为“铁电材料”口】。
随后发现了相似结构的KH2P。
4系列；1940〜1958年，发现了第一个不含氢键，具有多个铁电相的铁电体BaPCh; 1959年到上世纪70年代，包括钙钛矿结构的PbPO3系列、铝青铜结构的锯酸盐系列等在内的大量铁电体被发现，也是铁电的软模理论出现并基本完善的时期；上世纪80年代至今，铁电体的研究主要集中于铁电液晶、聚合物复合铁电材料、薄膜材料和异质结构等非均匀系统。
以钻钛酸铅Pb(Zr】_xPx)O3(简称PZT)为代表的一大类铁电压电功能薄膜材料因其具有良好的压电、铁电、热释电、电光及非线性光学等特性，在微电子和光电子技术领域有着广阔的应用前景，受到人们的广泛关注和重视几乎所有的铁电体材料均可通过不同的制备技术制成相应的薄膜材料，但迄今为止研究较为集中的铁电薄膜材料主要有两大类，一类是钛酸盐系铁电薄膜; 另一类是锯酸盐系铁电薄膜。
最典型的铁电体是具有钙铁矿结构的铁电体-ABO3(Perovskite)结构，如图2 所示。
佟I 2钙钛矿铁电材料晶胞小意图PZT是典型的ABO3钙钛矿结构，在每个钙钛矿元胞中，铅离子(Pb?与占据8个顶点的位置，氧离子(O')占据6个面心，结或钛粒子亿产m4+)位于八面体的空位。
在现有的铁电薄膜材料中，使用较多的是PZT薄膜系列。
铁电薄膜的发展
论文摘要Taran V. Harman的理学硕士论文，专业电气与计算机工程，发表于2003年10月10日。
题目：铁电薄膜的进展摘要批准人：John F. Wager开始于这篇论文的研究项目的长期目标是研究无铅全透明铁电设备，比如铁电电容或铁电栅场效应晶体管。
铁电材料在施加外电场时表现出自发极化，且随电场连续变化，并能被其反转。
铁电薄膜可用在非易失性存储设备，比如电容，栅介质或场效应晶体管中。
铁电设备通过铁电锆钛酸铅（PZT）的沉积来制造，主要方法有射频溅射，旋涂式的化学溶液沉积（CSD）。
铁电PZT电容铁电电容的特点是：测电容和电导时为频率的函数，测极化强度时是外加电场的函数。
带Au或Ni不透明顶部电极的铁电PZT电容的介电常数在300到600范围内，与典型的铁电薄膜类似。
然而，制造透明顶部接触的电容的所有尝试，包括采用各种类型的透明导体和绝缘缓冲层，最终都在铁电层未完全极化前引发了电注入和电击穿。
版权归Taran V. Harman2003年10月10日首先我要谢谢我的丈夫Doug在整个文章撰写过程中的耐心，还有整个家庭：Iris, Toy, and Andre Villoch, and John and Linda Harman，他们一直支持我。
我要感谢我的导师John F. Wager教授，他为研究提供经费支持，并建议将铁电体作为论文项目。
我在文章撰写过程中与他进行过多次很有益的讨论。
我要感谢Luke Norris为项目作出的贡献，他是自旋解决方案中的助手兼教育家，并且如朋友般伴随每个项目。
我要感谢David Hong，他为项目制备了铪HfO2，并在计算机相关问题上帮助很多。
我要感谢Wager博士研究组的所有成员，他们都与我积极讨论。
尤其要感谢Rick Presley 协助生产，感谢Melinda Valencia推荐了个好兽医，感谢Nicci Dehuff让我睡在她的沙发上，感谢Mandy Fluaitt,Kathryn Gardiner, and Jana Stockum的友情。
铁电薄膜的发展
铁电薄膜的发展0807044234 赖辛铁电材料是这样一些晶体，它们在某温度范围具有自发极化，而且极化强度可以随外电场改变而改变。
作为一类重要的功能材料，铁电材料具有介电性、压电性、热释电性、铁电性以及电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等重要特性，可用于制作铁电存储器、热释电红外探测器、空间光调制器、光波导、介质移相器、压控滤波器等重要的新型元器件。
这些元器件在航空航天、通信、家电、国防等领域具有广泛的应用前景。
铁电薄膜具有优越的电极化特性、热释电效应、介电效应、压电效应、电光效应高、解电系数和非线性光学性质等一系列特殊性质，可制成不同功能器件，随着铁电薄膜制备技术的发展，使现代微电子技术与铁电薄膜的多种功能相结合，必将开发出众多新型的功能材料，促进新兴技术的发展。
因此，铁电陶瓷薄膜的研究日益突出，已成为国际上新颖功能材料与器件的一个热点。
早在远古时期，人们就知道某些物质具有与温度有关的自发电偶极距，因为它们被加热时具有吸引其它轻小物体的能力。
1824年Brewster观察到许多矿石具有热释电性。
l880年约·居里和皮·居里发现当对样品施加应力时出现电极化的现象。
但是，早期发现的热释电体没有一个是铁电体。
在未经处理的铁电单晶中。
电畴的极化方向是杂乱的，晶体的净极化为零，热释电响应和压电响应也十分微小，这就是铁电体很晚才被发现的主要原因。
直到l920年，法国人valasek发现了罗息盐(酒石酸钾钠，NaKCH4O·4H2O)特异的介电性能，才掀开了自20 世纪50 年代人们开始研究铁电薄膜，至今已有几十年的历史，但由于受到薄膜制备技术的限制，研究一直进展缓慢。
直到20 世纪80 年代，薄膜制备技术取得了一系列的突破，许多物理和化学方法用于制备铁电薄膜，扫除了铁电材料与半导体工艺等技术障碍，因而铁电薄膜材料得到了飞速的发展。
利用铁电氧化物薄膜所具有的介电、铁电、压电、电致伸缩、热电、光学、电光等性能，可以制得很多种类的铁电薄膜器件，这些铁电薄膜器件都具有十分诱人的应用前景和潜在的巨大市场。
铁电超晶格
铁电超晶格
引言：
铁电超晶格是一种新型的材料，它具有独特的物理和化学性质，因此
在材料科学领域引起了广泛的关注。
本文将从铁电超晶格的定义、结构、性质和应用等方面进行介绍。
一、定义
铁电超晶格是一种由铁电晶体和非铁电晶体交替排列而成的复合材料。
它的结构类似于一种超晶格，其中铁电晶体和非铁电晶体的排列方式
可以是周期性的，也可以是随机的。
二、结构
铁电超晶格的结构可以分为两种类型：一种是周期性的，另一种是随
机的。
周期性的铁电超晶格结构中，铁电晶体和非铁电晶体的排列方
式是有规律的，可以形成一定的周期性结构。
而随机的铁电超晶格结
构中，铁电晶体和非铁电晶体的排列方式是无规律的，形成的结构是
不规则的。
三、性质
铁电超晶格具有许多独特的物理和化学性质。
首先，它具有铁电性质，
即在外电场的作用下会产生电极化现象。
其次，它具有光学性质，可以用于制造光学器件。
此外，铁电超晶格还具有磁性、导电性和热稳定性等特点。
四、应用
铁电超晶格在材料科学领域有着广泛的应用前景。
首先，它可以用于制造光学器件，如光学滤波器、光学波导器等。
其次，它可以用于制造电子器件，如场效应晶体管、电容器等。
此外，铁电超晶格还可以用于制造传感器、储能器等。
结论：
总之，铁电超晶格是一种具有独特性质和广泛应用前景的新型材料。
随着科技的不断发展，铁电超晶格的研究和应用将会越来越广泛，为人类的生产和生活带来更多的便利和创新。
铁电薄膜材料
铁电薄膜材料铁电薄膜材料是一种具有铁电性质的薄膜材料。
铁电性是指一种物质在外电场作用下能够产生电偶极矩，并且在去除电场时能够保持电偶极矩的性质。
铁电薄膜材料由于其特殊的性质，在电子器件、储能器件、传感器等领域具有广泛的应用前景。
铁电薄膜材料可以通过多种方法制备，常见的方法包括溶液法、物理气相沉积法和分子束外延法等。
这些方法能够在基底上制备出高质量的铁电薄膜材料，并且具有较好的晶体结构和界面质量。
其中，溶液法是一种简单、经济的制备方法，可以制备出大面积、均匀的铁电薄膜材料。
铁电薄膜材料的铁电性质使其在电子器件中具有重要的应用。
例如，铁电薄膜材料可以用于制备非易失性存储器，这种存储器具有快速的读写速度和较低的功耗。
此外，铁电薄膜材料还可以用于制备压电传感器，用于测量压力、形变等物理量。
此外，铁电薄膜材料还可以应用于能量转换器件，如压电发电机和压电陶瓷换能器等。
铁电薄膜材料的研究也取得了一些重要进展。
例如，研究人员通过控制铁电薄膜材料的组分和结构，实现了对其铁电性能的调控。
此外，研究人员还探索了新型的铁电薄膜材料，并研究了其在电子器件中的应用。
这些研究为铁电薄膜材料的应用拓展提供了新的思路和方法。
然而，铁电薄膜材料在应用过程中还存在一些问题。
首先，铁电薄膜材料的制备工艺复杂，制备过程中易受到基底表面的影响，导致薄膜质量不稳定。
其次，铁电薄膜材料的性能稳定性有限，容易受到温度、湿度等环境因素的影响。
此外，铁电薄膜材料的电偶极矩随时间的演化也是一个研究的热点问题。
为了解决这些问题，研究人员正在不断努力。
他们通过优化制备工艺，提高铁电薄膜材料的质量稳定性。
此外，研究人员还致力于开发新型的铁电薄膜材料，以提高其性能和稳定性。
同时，研究人员也在探索新的应用领域，如光电子器件和生物传感器等。
铁电薄膜材料具有独特的铁电性质，在电子器件、储能器件、传感器等领域具有重要的应用前景。
虽然在应用过程中还存在一些问题，但通过研究人员的不断努力，相信这些问题将会逐渐得到解决。
介电体超晶格材料
介电体超晶格材料介电体超晶格材料1. 引言介电体超晶格材料是指由两种或多种不同介电常数的材料交替堆叠而成的结构，具有特殊的光电性质和优异的应用潜力。
这种材料的独特之处在于其电磁波传播的效应与构成层之间的相对位置和厚度有关。
本文将从深度和广度的角度出发，探讨介电体超晶格材料的基本原理、制备方法、光电性质以及应用前景。
2. 基本原理介电体超晶格材料的电磁波传播效应主要与两个方面相关：一是周期性结构的多重反射效应，二是频率选择性穿透效应。
多重反射效应使得介电体超晶格材料在特定波长范围内能够有效地抑制电磁波的传播，形成光子带隙，从而实现光的隔离和过滤。
频率选择性穿透效应则是指在特定条件下，只有特定频率范围内的光才能够穿过材料，其余频率的光被材料完全反射或吸收。
3. 制备方法目前，常见的介电体超晶格材料制备方法可以分为自组装法、物理刻蚀法和化学合成法等。
自组装法是指通过物理或化学方法将两种或多种介电材料有序自组装形成超晶格结构，能够调控超晶格的厚度和周期性。
物理刻蚀法则是利用高精度的刻蚀技术，在介电材料上进行刻蚀和去除，形成特定的周期性结构。
化学合成法则是通过溶液中的化学反应来合成介电材料的纳米颗粒，进而形成超晶格结构。
4. 光电性质介电体超晶格材料具有许多优异的光电学性质，包括光子带隙、频率选择性穿透、高透射率、高反射率等。
光子带隙是介电体超晶格材料最重要的性质之一，可用于实现光的调控和过滤。
频率选择性穿透使得材料能够用于光通信、光传感和光存储等领域。
介电体超晶格材料还具有优异的折射率、透射率和反射率，可用于设计和制备光学透镜、光学薄膜和光学反射镜等光学器件。
5. 应用前景介电体超晶格材料在光学器件、光电传感器、光热转换、太阳能电池和光通信等领域具有广阔的应用前景。
基于介电体超晶格材料的光学透镜和光学薄膜可以用于光学显微镜、纳米光刻和激光器等设备中。
介电体超晶格材料还可以应用于红外光学，通过调控光子带隙和频率选择性穿透，实现红外光的隔离和过滤。
铁电材料在电子器件中的应用
铁电材料在电子器件中的应用铁电材料是一种特殊的材料，具有独特的物理和化学性质。
这些材料可以通过外部电场的变化来实现极化，进而产生高度可控制的性能。
由于这些独特的性能，铁电材料已经在电子器件中得到了广泛的应用。
本文将按照类别来介绍铁电材料在电子器件中的应用。
一、铁电薄膜铁电薄膜是一种具有特殊性质的材料。
这些薄膜通常由铁电晶体沉积在底部电极上，在制作过程中常使用物理汽相沉积或化学汽相沉积技术。
铁电薄膜在电子器件中有广泛的应用。
例如，在非易失性随机访问存储器（NVRAM）中，铁电薄膜可以存储数据，具有非常高的稳定性和可靠性。
铁电薄膜的极化状态可以用于记录和读取数据。
其次，铁电薄膜还可用于微处理器中的存储器单元，例如闪存存储器和EEPROM存储器。
铁电薄膜的优点是可靠性高、写入次数多、读取速度快、功耗低，适用于小型电子设备。
二、铁电电容器铁电电容器是由铁电材料制成的电容器，可以通过改变电场的方向和大小来改变电容器的极化状态。
铁电电容器与普通电容器的不同之处在于铁电电容器的极化状态可以保持很长时间，因此铁电电容器可以用作存储设备，比如在一些集成电路(IC)中使用。
铁电电容器在非易失性存储器（NVS）中得到了广泛的应用，NVS可以使用在需要长期保存数据的场合，例如模拟信号存储和数字信号存储。
三、铁电场效应晶体管铁电场效应晶体管（FeFET）是一种新型的晶体管，利用铁电材料的极化状态来控制导电性能，具有一定的记忆性质。
铁电场效应晶体管是一种全新的存储器元件，多用于存储和恢复非易失性数据。
铁电场效应晶体管的优点是功耗低，可重写性能好，写入时间短，这使其成为可重复编程存储器的极好选择。
四、铁电声波器件铁电声波器件充当在晶体管前端的频率选择器件，利用了铁电晶体的特殊性能。
铁电声波器件广泛应用于通信、移动电话、计算机、医疗和汽车等电子行业中。
由于铁电声波器件的极化状态不易受到外部干扰，所以铁电声波器件是一种稳定而可靠的频率控制元件，适用于高质量的通信和响应应用。
功能材料名词解释复习题
名词解释复习题磁致伸缩效应：是指铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化的现象。
巨磁阻效应：是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。
异质结：两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。
超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细复合材料。
超晶格：如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。
量子阱：是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。
气敏陶瓷：是用于吸收某种气体后电阻率发生变化的一种功能陶瓷。
压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。
正压电效应：是指当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
逆压电效应：是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。
热释电效应：在某些绝缘物质中，由于温度的变化引起极化状态改变的现象。
铁电效应：是指材料的晶体结构在不加外电场时就具有自发极化现象，其自发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。
光生伏特效应：是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。
光电导效应：是辐射引起半导体材料电导率变化的现象。
形状记忆效应：是指具有一定形状的固体材料,在某种条件下经过一定的塑性变形后,加热到一定温度时,材料又完全恢复到变形前原来形状的现象。
热敏陶瓷：PTC是一种具有正温度系数的半导体陶瓷元件、NTC是指具有负温度系数的半导体陶瓷元件、CTR是电阻在某特定温度范围内急剧变化的热敏电阻。
铁电薄膜及其应用
铁电薄膜及其应用叶锄学隈,第17第2国外建材科技辐衫V o1.17N0.2Jun.1996铁电薄膜及其应用继2/多(材料科学与工程学院相摘要:本文简要地舟鳍了近年采MRS国斥论文架和姜池文献所担导的兰于镘电薄膜的制备技术,薄虞材料厦其开发应用方面的发展概况.展示出l挂电薄膜良奸的发展前景.关键词:驶电薄膜制备技术辐射;制备技采1引言薄膜科学与技术是新材料发展前景最活跃的领域之一.在衬底材料上镀膜可起到三方面作用:a)优化表面性能;b)进行微细加工;c)产生新的功能特性.相对于体材料,薄膜更具有灵敏度高,稳定性好的优点.薄膜材料包括无机膜(金属膜,无机陶瓷膜)和有机高分子膜.以及复合膜(金属与陶瓷,陶瓷与高聚物,陶瓷与陶瓷等).并且,随着薄膜基础理论研究的深人,薄膜制备技术的进步和新薄膜器件的开发.新型的高性能的或者多功能的薄膜材料将得到长足的发展.例如多层膜材料,c薄膜材料,金刚石和氮化碳超硬薄膜材料,包括铁.薄膜在内的各种功能薄膜材料,LB膜材料等等,是近几年来国内外迅速发展的薄膜材料铁电薄膜包括铁电陶瓷(多晶),铁电晶体(单晶)和铁电非晶态薄膜,是一类重要的多功能的薄膜豺料.它们具有铁电,压电,热电,介电,电光,光折变和非线性光学等一系列优￡性能,综合利用这些特性可以制成各种功能器件,诸如集成铁电存储器,压电传感器超声传感器,红外撩测器,激光检潮器,电光凋制开关,光波导器件,光存贮与显示,图像存贮与显光变频器,声表面渡器件,微驱动器,微马达等.可广泛应用于微电子学,光电子学,声电子学,集成光学,微机械学等诸多领域因此,铁电薄膜已成为科技发展的一个热点.近年来,许多大型国际会议都设有专题交流美于这方面的研究成果,如每年召开二次的MRS会议.本文主要根据近五年来”MRS会议”论文集所提供的资料,并参考其他文献资料.扼要地阐述铁电薄膜材料的特性,应用,制备技术及其发展前景.2铁电薄膜材料主要性能及其应用铁电材料属于无中心对称的低对称性材料,具有铁电性铁电性可以有许多应用,以计算机的存储器为例,早期计算机的存浩器是利用铁磁性材料所具有的磁滞回线来存贮信息.同样道理这样的存储器也可以利用铁电性材料所具有的电滞回线来存贮信息收稿日期:I996—03—29.盘葆卉:女一1943年生?阱师?武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院(430070)国外建材科技1996年6月对于同时具有多种特性的铁电材料,其重要意义不仅仅限于铁电性,介电性,而是与其他物理现象的相互作用.例如,由铁电体贮存的电能:a)通过压电效应,电致伸缩效应,压电一导电性等,可以和机械能相关联;b)通过热电效应可以和热能相关联;c)通过光致电导性,光学的介电常数等可以和光相关联.又如由铁电体贮存的机械能通过光弹性效应可以和光相关联等等.由此,可以开发出各种各样的功能材料若是把铁电材料制成薄膜,有可能得到更好的特性,包括具有很高的介电常数和耐压强度;具有很高的自发极化强度;具有可随外加电场反转的铁电畴;具有较低的矫顽电场;具有很高的抗辐射能力;以及铁电薄膜制备技术可以和大规模半导体集成技术相兼容等等,从而有利于制备出性能优异的各种器件.下面就几种典型的铁电薄膜材料及其应用作简单介绍;2.1锆钛酸铅铁电薄膜.Pb(ZrTi一x)Os(简称PZT)是PbTiO3铁电体和PbZrO3反铁电体的固溶体.PZT铁电薄膜是具有高介电常数的铁电材料,它的组成可在很宽的范围内变动,最佳的组成可以得到最好的介电和铁电性.这种薄膜材料集铁电,压电,热电和电光等性能于一体,可广泛应用于具有高存储密度的抗辐射损伤的非挥发性随机存储器,铁电场效应管,图像存储器,红外传感器,压电传感器,微执行器,集成电光器,铁电电容器等器件中.2.2镧掺杂锆钛酸铅铁电薄膜Pb.oLⅢ(Zr/0.Ti彻)Oa(简称PLZT)是在PZT基础上添加La改性的铁电薄膜材料.添加La主要是改善薄膜的电光特性,使之具有更高的电光系数,因而在执行某一功能动作时可以有较低的驱动电压.组成不同.PLZT铁电薄膜随外加电场的改变,将表现出不同的双折射行为”记忆”;”线性或一次电光效应”和”二次电光效应”,因而使薄膜具有不同的性能参数,如高低不同的矫顽场;不同形状的电滞回线,不同的压电系数和光电系数等.这种薄膜材料集铁电,压电,电光,介电,热电等性能于一体,广泛应用于高速随机存储的记忆器件,铁电动态存储器快速光电开关,张弛振荡器,非挥发性光学存储器,全内反光开关等器件中.2.3钛酸铅镧铁电薄膜(Pa,La)TiO~(称简PL T)铁电薄膜材料具有优异的铁电,热电,电光,介电和非线性光学等性质,可望在红外探测器,光波导,全内反光开关,电光调制开关,超声传感器等光电子学及其他高技术领域中获得广泛应用.2.4钛酸铅铁电薄膜PbTiOa是一种具有钙钛矿型结构的铁电材料,它有较小的介电常数,较大的白发极化,较小的矫顽场强和较高的居里温度,是一种较理想的制备微电子学,光电子学和声电子学器件的候选材料,其潜在的应用包括红外探测器,红外光场效应管,二维图象传感器,非挥发性铁电存储器,空阔光调制器,声表面波器件,大容量电容器等.2.5钛酸钡铁电薄膜B~TiO5具有钙钛矿型结构?是一种研究最早的铁电压电材料.BaTiO,铁电薄膜具有压电,铁电,介电,热电和正温度系数特性,利用上述特性,可应用于红外探测器,铁电存储器,二次谐波振荡,各种热敏元件,太容量电容器等.目前研究较多的是用脉冲激光淀积或有机化学气相沉积(MocVD)方法制备BaTiO外延膜和BaT[Oa异质外延膜,可望应用于高速随机存储记忆器件,快速光电开关等器件中.第17卷第2期金葆卉:铁电薄膜及其应用2.6铌酸锂铁电薄膜不具钙钛矿型结构的LiNbO作为非常重要的铁电材料具有优异的压电,铁电,电光和非线性光学性质,使其在电学,光学,声学上存在潜在的应用.例如,利用LiNbOa晶体的电气光学效应和光弹性效性,可望把这种材料用于光开关,光闸,光变频,光记忆,图像显示等器件中.着制成薄膜,就可以实现低电压操作,并用于光学集成电路元件等.又如在薄膜声表面波器件中,可用LiNbO晶体生产TV?VIF滤波器.值得指出的是:LiNbO;铁电薄膜材料最突出的特性是关于它的光波导性能.制备优质的LiNbOs非线性薄膜光波导,能与si半导体电路相兼容,可望开发出一系列新型集成光学器件.更何况这类材料一般具有介电常数小,相变温度高,机电耦台系数高,电光效应显着等特点,大部分光调制,光开关等光功能元件都可用LiNbO晶体制作.这些光功能元件谓之波导性元件,如波导型光调制器,波导型光开关等等.2,7其他铁电薄膜材料在1991~1995年间.MRS国际会议论文集上报导的其他铁电薄膜材料有:srTiO(Ba.Sr)TiO,BiTOlz,(Sr,Bi)TiOs,非晶铁电氧化物薄膜,(Pb,Ba)(Zr,Ti,Nb)O,PNZT,(BaNa)NbO3,BiSrTazOg,LaSrn5CoO3以及(Pb,Sc)TiO3等等;这些铁电薄膜材料各自分别在微电子学,光电子学,声电子学,铁电集成学,传感器,微机槭学等诸多领域存在潜在的应用.3铁电薄膜的制备技术Et前,已经发展了多种铁电薄膜的制备技术.可以说,几乎所有的薄膜生长方法都在实验室里被用来生长铁电薄膜.据1991~1995年间MRS国际会议”论文集上的报导,这些薄膜生长方法如下:3,1物理气相沉积(PVD)a)溅射(射频溅射,直流溅射,磁控溅射,反应溅射,多靶溅射).b)蒸发(电子束,电阻,高频,闪蒸,分子束外延).c)离子束技术(离子束溅射沉积,离子束辅助沉积等).d)脉冲激光淀积,激光闪蒸.3.2化学气相沉积(CVD)a)金属有机化学气相沉积(MOCVD)b)等离子增强化学气相沉积(PECVD)c)低压化学气相沉积(LPCVD)d)化学束沉积e)微波电子回旋等离子体化学气相沉积(ECR--PECVD)3.3化学溶剂法a)溶胶一凝胶(SolGe1)b)金属有机溶解(MOD)3.4溶料溶解法液相外延(LEP)国外建材科技1996年6月3.5其它方法激光分子束外延(LaserMBE);I,PMOCVD;Flash—MOCVD)PE—MOCVD等方法.在上述诸方法中,目前采用最多的铁电薄膜制备技术是激光淀积法,MOCVD法,s.Gel法和离子束辅助沉积4铁电薄膜的发展前景首先,从薄膜科学与技术考虑,作为特殊形态材料的薄膜,具有许多奇特的特性,已成为微电子,光电子,声电子,大规模集成电路,传感器,光学(特别是非线性光学)微机械等技术乩基础.并广泛渗透到当代科研的各个领域.其次,从材料方面考虑,铁电材料是一类重要的介电材料.一般说来,除具有铁电性外,还可能同时具有压电,介电,热电,非线性光学等特性.因此,两者相结合,即铁电材料薄膜化,由薄膜的结构因素和尺寸效应,会产生许多大块材料所不具备的新特性,新功能,或者材料的性质得到改善.例如,用蒸镀法制备BaTiOa薄膜,膜厚大于0.1m时,保持块状材料的性能}膜厚约为0.04pm时,显示出铁电开关特性;在0.023~m时,显示出介电异常;膜厚为0.o1m时,介电异常消失.又如,制备优质的I,iN—bO;光波导薄膜,其传输损耗系数可降低到0.5dB/cm以下,等等.材料性能的改善,或产生新特性,新功能,这些都为铁电材料的开发应用蕴藏着极大的潜力.今天的铁电薄膜就薄膜制备技术,薄膜材料.和所涉及的铁电薄膜理论基础三个方面,无论从广度和深度上都远非十年前所比.关于铁电薄膜的发展前景,概述近五年来”MRS国际会议论文上所报导的资料.其特点是:(1)成膜技术制备铁电薄膜,从工艺上讲,各种成膜方法都在探讨,并随着薄膜科学与技术的发展而不断改进.a)采用新的成膜方法居多.例如,较多用脉冲激光沉积,金属有机化学气相沉积等新技术制备PZT,PLZT,PL T,BaTiOs,PbTiOa,(Ba,Sr)平衡状态下不存在的物质,并可以在较低的温度下进行物质的台成.b)随着科学技术的发展,各种特殊用途的器件对铁电薄膜材料提出了各种各样的要求.薄膜厚度可从几十埃到几十微米;从膜的结构上讲,有多晶的,单晶的,非晶态的,超晶格的,按特定方向取向的,外延生长的等.上述两点表明+实际应用要求铁电薄膜材料多样化,且性能技术参数高.薄膜科学与技术的迅速发展为满足这些要求提供了保证.c)多种多样的铁电薄膜材料可在铁电存储器,红外探测器,传感器,光调制器,光开关,第17卷第2期盒穰卉:铁电薄膜及其应用声表面波器件非线性光波导器等诸多器件得到应用目前,在诸多应用中,发展最快,应用落实,指标明确的是铁电存储器.(3)薄膜科学目前,铁电薄膜技术和薄膜材料所涉及的基础理论也正在迅速发展中.铁电薄膜理论除涉及真空技术和材料科学之外,还涉及等离子体物理,离子溅射,表面科学,薄膜生长理论,半导体物理,电磁理论,电子光学,激光技术,离子束技术,大规模集成电路技术等十分广泛的学科领域.这里,值得注意的是巳形成了”集成铁电学”这一新兴的重要学科,显示出当前铁电薄膜理论水平和研究进展.总而言之,薄膜技术,薄膜材料,薄膜理论相结合推动了铁电薄膜产品的全方位开发和应用,铁电薄膜在微电子学,光电子学,声电子学,非线性光学领域内所起的作用也越来越大.并逐步向集成光学,微机械学等技术领域扩展,展示出良好的发展前景.参考文献1A.I.Kingon.E.R.Myers.B.Tuttle.FerroelectrieThinFilms.In:MRS1991F allMeetingSymposiumProceedings.1992,(1)i2432J.Kanicki,R.B.Devine.AmorphousInsulatingThinFilms,In:MRS1992F allMeetingSymposiumProceedings.1993.(1):2843S.B.Desu.D.B.BeachW.Wesse]s.Metal—OrganicChemicalV aporDepos itionofElec—tronieCeramics.In:MRS1993FailMeetingSymposiumProceedings.1994, 1:3354R.Ramesh,D,K.Fork,J.M.Phillpsets1.Epitaxia10xideThinFilmsandHet erostruc—lures?In:MRS1994SpringMeetingSymposiumProceedings,1994,1:341 5H.J.FrostP.A.Ross,M.A.Porkereta1.P0IycrystaIIineThinFilms:Structur e.Texture,propertiseandApplications.InMRS1995SpringMeetingSymposium Proceed—ings.1995,1:4036三井利夫等着.倪冠军等译.铁电物理学导论.北京:科学出版社,19837田民波等编译.薄膜科学与技术手册(上,下册).北京:机械工业出版社,19918闻立时.薄膜材料与薄膜技术.1994秋季中国材料研究套会议论文集(V o1.2,第一分册)北京化学工业出版社,1995。
PZT铁电薄膜材料的制备技术
PZT铁电薄膜材料的制备技术PZT（铅锆钛）是一种具有铁电和压电性能的材料，因此在传感器、电容器、声波器件等领域有广泛的应用。
PZT铁电薄膜材料的制备技术在近年来得到了大量研究，主要包括溶液法、物理气相沉积（PVD）法和化学气相沉积（CVD）法等多种方法。
下面将对这几种方法进行详细介绍。
1.溶液法溶液法是一种简单、成本低、易于实现的PZT铁电薄膜制备方法。
通常采用溶胶-凝胶（Sol-Gel）法，即将Pb（Pb2+）、Zr（Zr4+）、Ti （Ti4+）离子源分别与适量的溶剂混合，形成溶胶溶液，然后通过加热、溶胶凝胶处理和烧结等步骤，得到PZT薄膜。
溶液法制备的PZT铁电薄膜具有较高的结晶度和均匀性，但由于需要多次热处理，制备周期比较长。
2.物理气相沉积（PVD）法PVD法是一种通过蒸发、溅射或离子束轰击等方法在基板表面直接沉积PZT铁电薄膜的技术。
常用的技术包括磁控溅射法、电子束蒸发法和激光沉积法等。
PVD法制备的PZT铁电薄膜具有高纯度、致密度高、晶粒度细等优点，但设备成本高，生产效率低。
3.化学气相沉积（CVD）法CVD法是一种利用气相反应在基板表面生长PZT铁电薄膜的技术。
通常采用金属有机化合物作为前体物质，通过热解反应、气相反应等步骤，使溶液中的Pb、Zr、Ti等元素在基板表面沉积成PZT铁电薄膜。
CVD法制备的PZT铁电薄膜可以精确控制成膜速度、成膜厚度和成膜质量，但是对设备要求高，操作复杂。
除了上述几种主要的制备技术外，还有一些其他方法，如脉冲激光沉积法、微波辅助反应法等。
这些方法都有各自的优缺点，可以根据具体需求选择合适的制备技术。
总的来说，PZT铁电薄膜材料的制备技术在不断发展和完善，未来随着材料工艺的进一步提高，可以实现更高质量、更高性能的PZT铁电薄膜材料。
这将为传感器、电容器、声波器件等领域的应用提供更大的可能性和发展空间。
希望本文能对PZT铁电薄膜材料的制备技术有所帮助。
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例如：SrTiO3，LaAlO3，SrRuO3……
6
Granzon等设计一个试验方法研究 PZT陶瓷在应力下得极化和压电性质
BST
BST
7
BST
BST
泊松比V=0.48
8
基于DFT的第一性原理研究模型：
假设： 1. 在零应力下BST超晶格被认为是理想的双层钙钛矿结构 2. 电子之间的交换关联式应用LDA 3. 在施加应力时，原子在空间群P4mm里沿[100]方向优化
3
MBE，PLD，ALD
产品广泛应用于太阳能光电、 微电子、光电子、MEMS（微 机电系统）、传感器、半导体 发光照明工程等领域
4
为什么研究铁电体超晶格
实现光子的调控 BaTiO3
压电热点电光…… 材料
热电探测器 薄膜电容器 非易失MRAM 表面声波元件……
5
计算的前期工作
张应力
超晶格
衬底
压应力
single-crystalline BTO is tetragonal a=b=3.994 Å, c=4.033 Å
CTO is orthorhombic a=5.442 Å, b=5.380 Å, c=7.640 Å, and pseudocubic a=c=3.826 Å
APPLIED PHYSICS LETTERS 94, 232904 2009
Born有效电荷1
体系总能
原子i沿着笛卡尔坐标α方向的位移 原子沿笛卡尔坐标β方向的电场
1.Stefano B ,Stefano D G,Andrea D C 2001 Rev.Βιβλιοθήκη Mod. Phys . 73 515
11
The alternation of compressive and tensile strains, which are induced in BTO and CTO layers by STO (cubic, a=3.905 Å )substrates,respectively, can effectively
半导体超晶格的层状结构
2
介电（铁电）体超晶格
1935年出生，九三学社社员，现任南京大 学固体微结构国家重点实验室学术委员会主 任，材料科学研究所所长 1986年提出“介电体超晶格”材料的概念， 经过近3年探索，闵乃本和学生朱永元教授 等建立了“准周期超晶格”的理论。 2005年，课题组利用自行研制的介电体超 晶格，研制成功全固态超晶格红、绿、蓝三 基色和白光激光器，并制出样机，取得了4 项国内发明专利和1项美国发明专利。
12
13
NATURE| Vol 452| 10 April 2008
下一步的研究
研究的性质 自发极化率 misfit strain
界面的特殊效应
其他结构
AFM PHYSICAL REVIEW B 72, 144101 2005
14
Thanks
15
Castep软件包下
BaTiO3的点阵参数aBT=0.3944 a
SrTiO3的点阵参数aST=0.3944
实验值分别是0.3994，0.3905 误差小于1.5%(LDA造成)
9
1. Ti2原子的位移远大于Ti1原子的位移 2. O和Ti位移方向相反，产生铁电性
10
表明：Ti原子和O原子之间发生了动态电荷传输
cancel out their opposite directional mechanical tension, so the (BTO)n/ (CTO)n SLs might be expected to better preserve a fully strained state when the layer thicknesses are properly combined.
铁电超晶格(薄膜)简介
1
超晶格
1970年IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念他们设想如果用两种晶格 匹配很好的半导体材料交替地生长周期性结构，每层材料的厚度在100nm以下
两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄 层交替生长并保持严格周期性的多层膜 特定形式的层状精细复合材料 电 子
电子沿生长方向的运动将 会产生振荡，可用于制造 微波器件．