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，卷:15(4)

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溶胶-凝胶改性Ba1-xSrXTiO3薄膜的亚结构和介电性能

*通信:

Rahmi戴维·，廖内大学物理系，北干巴鲁，印度尼西亚，电话:+ 6276163272;电子邮件: (电子邮件保护)

摘要

薄膜钙钛矿钡钛酸锶Ba (1-x) SrxTiO3 (BST) x=0.1;0.2和0.3结构型是一种有望用于微电子器件的结构半导体技术。本研究采用溶胶-凝胶法制备了不同成分的薄膜。通过控制衬底温度可以获得这些材料的钙钛矿结构。样品在700℃空气中退火1 h。微观结构和介电性能研究表明，Sr随组分的增加而提高。所有薄膜的晶粒尺寸都以纳米为单位。薄膜的平均晶粒尺寸和横截面随着成分sr的增大而增大。薄膜的介电常数也随着平均晶粒尺寸的增大而增大。结果表明，材料的微观结构和介电性能取决于材料的组成。

关键字

薄膜;钛酸锶钡;组成;溶胶-凝胶过程;晶粒尺寸;介电性能

简介

由于薄铁电层有可能应用于各种集成器件中，因此研究人员最近开始关注薄铁电层[1］．自20世纪90年代以来，许多研究者开始关注薄BST层[2］．已知BST依赖于x的浓度，BST的旁电值x≤0.75，具有立方晶体结构的性质。同时，当x值≥0.75时，BST具有具有四方晶体结构的铁电体性质。当SrTiO_3.被添加到BaTiO_3.,老^{2 +}离子将取代Ba^{2 +}离子。结果，居里温度向较低的温度转移。英航TiO_3.居里温度的降低与取代Ba的Sr离子的数量成正比[3.］．锶取代了Ba2+离子^{2 +}离子可以改变其电学性质，也可以通过调节固体材料溶液的组成来控制介电常数值[2］．

BST的晶粒尺寸和性能介电与材料组成、退火温度和沉积规律有关。例如，实验表明，在石灰Ba的情况下_0.6老_0.4TiO_3.使用rf -磁控溅射罩制备薄膜，然后在450°C, 500°C, 550°C, 600°C和700°C在O中镀10分钟₂时，测得的平均晶粒尺寸在12 ~ 60 nm之间，介电在120 ~ 600 [4］．Ezhilvalavan和Tseng [5]报告了各种电气数据比较规则的制作。他们考察了介电常数退火状态、规则处理和薄膜成分的影响。石灰膜在室温下与Ba组成_0．5老_0．5TiO_3.具有较高的介电常数和数值。而不是在600°C的温度下观察电介质348-758如果增加晶粒尺寸32 nm到82 nm。在750°C (Ba_0.75个老_０．２５) TiO_3.和材料TiO_3.(Ba_0．5老_0．5)时，膜的结构由颗粒状转变为柱状，以提高衬底温度，形成柱状[5］．堀川等人。[6]得到Ba薄膜的结果_0.65老_0.35TiO_3.在500 ~ 700℃的衬底温度下溅射法制备的材料在室温下介电常数为190 ~ 700。

本文中，(x=0.1;采用溶胶-凝胶法制备0.2和0.3)薄膜。BST样品在700℃退火60 min。然后分析了材料成分差异对微观结构和介电常数的影响。

实验方法

碳酸钡(BaCO_3.)、碳酸锶(SrCO ._3.)和钛(IV)异丙氧基，99.999% (Ti (OCHCH_3.）₂）₄用作前驱体材料，用于审查制作石灰BST薄膜。第一步碳酸钡(0.9;0.8 mol和0.7 mol)和醋酸锶(0.1 mol, 0.2 mol和0.3 mol)醋酸被溶解，样品中含有20 vol%的去电离空气。决策明确透明。异丙氧钛(IV)再加心脏沉降首字母。为了稳定沉降，在搅拌过程中，在先锋沉降中加入一定程度的乙酰丙酮，在恒温箱上，溶液呈有限透明和淡黄色。使用3500转/分旋转涂层30s，沉降移至石灰心BST膜[7］．所使用的基板是玻璃基板。蒸发的溶剂，干燥的薄膜都在150°C的空气中燃烧有机材料，然后在350°C的空气中加热薄膜。该工艺重复几次，以获得所需的厚度。最后，胶片在700°C的空气中被镀金遮盖。所有退火过程均进行了60分钟。

对其介电性能进行了表征，并对其结构进行了制备。下层和上层采用铝在500℃下浸镀在玻璃上。在基底上放置硬掩膜，采用溶胶-凝胶法沉积BST。电容器结构如图所示图1．

薄膜的晶粒尺寸和厚度用模型Leo vpsem 1450。研究了薄膜的介电性能光谱学阻抗模型1255 Solartron-Schlumberger。根据测量数据结果，得到了Z′和Z”的实阻抗值。复阻抗Z*是电压和电流之间的比值，如下式(1)所示[8]：

(1）

电容值按下式(2)计算。

（2）

考虑d的厚度和A的表面积宽度，介电常数的值可由式(3)计算。

（3）

结果与讨论

x=0.3时BST薄膜的显微结构中所示的0.2和0.1图2(A, B, C)。随着Sr的增加，晶粒尺寸趋于均匀，晶界清晰。x=0.3时BST的晶粒尺寸;0.2和0.1分别为263.15 nm、238.09 nm和208.83 nm。退火过程中，扩散原子的微观结构发生了变化。的扩散是由于化学势梯度(原子从化学势高的区域移动到化学势低的区域)导致新相晶粒的生长。在退火过程中，有两种条件可以阻碍晶粒的生长，要么是溶解离子的可用性，要么是第二相的掺杂和细颗粒的管理。如果在材料中加入dopan，离子就会倾向于附着在晶界上。晶界处dopan浓度的改变会阻碍晶界运动[9］．

SEM测量显示晶粒尺寸增加，膜厚也增加。这些结果与Ezhivalavan和Tseng [5］．图3显示Ba的横断面形态_0、7老_{0, 3}TiO_3.,英航_0,8老_{0, 2}TiO_3.和英航_0、9老_{0 1}TiO_3.电影。该膜的膜厚分别为97.69 nm、44.72 nm和15.79 nm。

x=0.3时BST薄膜的介电常数0.2和0.1用阻抗分析仪测量。测量的频率范围为1hz至1mhz，温度为25°C。图4显示介电常数(?_r)的薄膜。介电常数随晶粒尺寸的增大而增大。类似的结果也报道了电影Ba_0.6老_0.4TiO_3.[4],英航_0.65老_0.35TiO_3.［5，6),英航_{1 - x}老_xTiO_3.［10，11］．我们所有的薄膜还表明，介电常数随着测量频率的增加而降低。Tsau等和Wu等人也得到了类似的结果。[12，13］．

Chen等人报道了Ba_0.6老_0.4TiO_3.在Pt / Ti / SiO₂/Si衬底(厚度为250至650 nm)在1 kHz时介电常数在200至1500之间[5］．Liu等人(2002)也获得了354 nm BST在10 kHz下的介电常数在320到425之间[10］．BST薄膜的组成、化学计量、微观结构、薄膜厚度、所使用的电极和均匀性都影响其性能。非常小的晶粒尺寸会极大地影响电容器DRAM的介电性能[5，6，14，15］．薄膜的晶粒尺寸和厚度对恒定介电值有影响。由这些结果可知，介电常数随晶粒尺寸和厚度的增加而增加。

结论

x=0.3时的BST薄膜;采用溶胶-凝胶法制备了0.2和0.1。BST薄膜的性能在很大程度上取决于薄膜的组成、微观结构、薄膜厚度和介电性能。介电常数随晶粒尺寸和厚度的增大而增大。结果表明，复合材料的微观结构、膜厚和介电性能与复合材料的组成有关。

鸣谢

作者也要感谢廖内大学(UNRI)和DIKTI她的廖内大学材料组成员的建议和帮助。

参考文献

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