第五章薄膜材料應用

1、金剛石薄膜及其應用金剛石薄膜及其應用 -Diamond Carbon Films20102010年年1111月月1919日日聊城大學材料科學與工程學院聊城大學材料科學與工程學院儀儀 修修 杰杰回顧回顧1、薄膜材料的力學性能、薄膜材料的力學性能2、壓電薄膜的電學性質、壓電薄膜的電學性質3、薄膜材料的光學特性、薄膜材料的光學特性 薄膜的附著力薄膜的附著力薄膜的內應力薄膜的內應力介電常數(shù)、體積電阻率、損耗介電常數(shù)、體積電阻率、損耗角正切、擊穿場強、體聲表面角正切、擊穿場強、體聲表面波性能等。波性能等。本次課內容導讀本次課內容導讀1、金剛石薄膜材料的概述、結構、金剛石薄膜材料的概述、結構2、金剛石薄膜

2、材料的制備方法、金剛石薄膜材料的制備方法3、金剛石薄膜材料的紅外特性、金剛石薄膜材料的紅外特性4、類金剛石薄膜材料、類金剛石薄膜材料常林鉆石常林鉆石概概 述述 o高硬度高硬度：金剛石是自然界中金剛石是自然界中硬度最高硬度最高的物質；的物質； “Diamond”一詞來源于阿拉伯語一詞來源于阿拉伯語“d-mas”或或希臘語希臘語“amas”，意為，意為“不可征服的、不可摧不可征服的、不可摧毀的毀的”(unconquerable, invincible)，可，可制成刀具和耐磨材料，切割非鐵合金材料和復合制成刀具和耐磨材料，切割非鐵合金材料和復合材料；可制成微觀外科手術刀等。材料；可制成微觀外科手術刀

3、等。金剛石莫氏硬度為金剛石莫氏硬度為10，顯微硬度為，顯微硬度為9.87104MPa，絕對硬度大于石，絕對硬度大于石英的英的1000倍，大于倍，大于剛玉剛玉的的150倍。倍。金剛石的特性與應用金剛石的特性與應用 o高導熱率高導熱率： (20W/cmK) 是銅的是銅的5倍，可制成大功倍，可制成大功率激光器、集成電路等半導體器件的熱沉。率激光器、集成電路等半導體器件的熱沉。o高透光性高透光性：金剛石：金剛石透光范圍寬透光范圍寬，透過率高透過率高，透射性能，透射性能優(yōu)良，對光線而言從遠紅外區(qū)到深紫外區(qū)是完全透明的，優(yōu)良，對光線而言從遠紅外區(qū)到深紫外區(qū)是完全透明的，可制成光學元件的鍍層、紅外窗口等?？?/p>

4、制成光學元件的鍍層、紅外窗口等。o高彈性模量高彈性模量： (1200GPa)和高的聲波傳播速度和高的聲波傳播速度(18000m/s) 可制成高保真揚聲器的振動膜?？芍瞥筛弑Ｕ鎿P聲器的振動膜。o電學方面：電學方面：寬禁帶、高載流子遷移率、低介電常數(shù)、寬禁帶、高載流子遷移率、低介電常數(shù)、高擊穿電壓等，可制成高溫半導體器件高擊穿電壓等，可制成高溫半導體器件(600)，用，用于耐強輻射器件，其禁帶寬度為于耐強輻射器件，其禁帶寬度為5.5eV，因而非摻雜，因而非摻雜的本征金剛石是極好的電絕緣體，它的室溫電阻率高的本征金剛石是極好的電絕緣體，它的室溫電阻率高達達 。cm1016o金剛石具有極好的抗腐蝕性和

5、優(yōu)良的耐氣候性金剛石具有極好的抗腐蝕性和優(yōu)良的耐氣候性等特點。等特點。金剛石具有優(yōu)良的性能及廣泛的應用前景金剛石具有優(yōu)良的性能及廣泛的應用前景 然而由于天然金剛石數(shù)量稀少，價格昂貴，尺寸然而由于天然金剛石數(shù)量稀少，價格昂貴，尺寸有限等因素，人們很難利用金剛石的上述優(yōu)異的性能。有限等因素，人們很難利用金剛石的上述優(yōu)異的性能。人造金剛石取代天然金剛石人造金剛石取代天然金剛石金剛石制備歷史的簡要回顧金剛石制備歷史的簡要回顧制備方法制備方法高溫高壓法高溫高壓法 低溫低壓法低溫低壓法 1796年，年，S. Tennant將金剛石燃燒成將金剛石燃燒成CO2，證明金剛石是由碳組成的。后來又知道天然金剛石是證

6、明金剛石是由碳組成的。后來又知道天然金剛石是碳在地殼深處的高溫高壓下轉變而來的，因此人們一碳在地殼深處的高溫高壓下轉變而來的，因此人們一直想通過碳的另一同素異形體直想通過碳的另一同素異形體石墨來合成金剛石。石墨來合成金剛石。 金剛石制備歷史的簡要回顧金剛石制備歷史的簡要回顧高溫高壓法（高溫高壓法（HTHP） 從熱力學角度看，在室溫常壓下，石墨是碳的穩(wěn)定從熱力學角度看，在室溫常壓下，石墨是碳的穩(wěn)定相，金剛石是碳的不穩(wěn)定相；而且金剛石與石墨之間存相，金剛石是碳的不穩(wěn)定相；而且金剛石與石墨之間存在著巨大的能量勢壘（見圖在著巨大的能量勢壘（見圖1），要將石墨轉化為金剛），要將石墨轉化為金剛石，必須克服

7、這個能量勢壘。石，必須克服這個能量勢壘。 根據(jù)熱力學數(shù)據(jù)以及天然金剛石存在的事實，人們根據(jù)熱力學數(shù)據(jù)以及天然金剛石存在的事實，人們開始模仿大自然的在高溫高壓條件下將石墨轉化為金剛開始模仿大自然的在高溫高壓條件下將石墨轉化為金剛石的研究，即所謂的高溫高壓石的研究，即所謂的高溫高壓(HTHP)技術。技術。 要使石墨轉化為金剛石至少需要要使石墨轉化為金剛石至少需要15000atm的壓的壓力，而要使轉化速度達到工業(yè)化生產的要求，使用的力，而要使轉化速度達到工業(yè)化生產的要求，使用的壓力一般要超過壓力一般要超過50000atm。 美國通用美國通用(GE)電氣公司于電氣公司于1955年率先制成了年率先制成了

8、HTHP金剛石，并于金剛石，并于60年代將年代將HTHP金剛石用于工具金剛石用于工具加工領域。通過加工領域。通過添加金屬催化劑添加金屬催化劑如如Fe、Co、Ni、Mn、 Cr等可以使轉化溫度和壓力從等可以使轉化溫度和壓力從3,000K，150,000atm下降到下降到1,600K，60,000atm。1、 HTHP生長技術，一般只能合成小顆粒的金剛石；生長技術，一般只能合成小顆粒的金剛石；2、 合成大的單晶，主要使用種晶法，在高溫高壓下，合成大的單晶，主要使用種晶法，在高溫高壓下， 生長幾毫米大小的單晶；較大的單晶對條件、生產生長幾毫米大小的單晶；較大的單晶對條件、生產 設備要求及其苛刻；設備

9、要求及其苛刻；3、 HTTP生長技術中需要使用金屬催化劑，是制備的金生長技術中需要使用金屬催化劑，是制備的金 剛石單晶中含有其他金屬元素。剛石單晶中含有其他金屬元素。高溫高壓法的局限性高溫高壓法的局限性低溫低壓法低溫低壓法1880年，年，Hannay, 碳氫化合物碳氫化合物+植物油植物油+金屬鋰；金屬鋰；1911年，年，Bolton，1000 0C水銀蒸汽環(huán)境下分解乙炔；水銀蒸汽環(huán)境下分解乙炔；50年代，前蘇聯(lián)年代，前蘇聯(lián)Spitsyn、Derjaguin等，美國等，美國Eversole等，熱等，熱 解含碳氣體合成金剛石成功，但沒有引起注意；解含碳氣體合成金剛石成功，但沒有引起注意；60年代，

10、年代，Angus等，發(fā)現(xiàn)石墨和金剛石同時生長，需不斷中斷等，發(fā)現(xiàn)石墨和金剛石同時生長，需不斷中斷 實驗來消除伴生的石墨，生長速率非常低；實驗來消除伴生的石墨，生長速率非常低；70年代，應用年代，應用CVD、等離子體技術，非金剛石基底上沉積出金、等離子體技術，非金剛石基底上沉積出金 剛石顆粒，生長速率低；剛石顆粒，生長速率低；1981年，前蘇聯(lián)年，前蘇聯(lián)Derjaguin等，實現(xiàn)同質外延；等，實現(xiàn)同質外延；1982年，日本年，日本Matsumoto等，單晶硅、鎢、鉬等上得到連續(xù)的等，單晶硅、鎢、鉬等上得到連續(xù)的 多晶金剛石薄膜，形成了多晶金剛石薄膜，形成了“金剛石膜熱金剛石膜熱”；90年代，多種

11、方法：年代，多種方法：HFCVD、MWPCVD、DC-Jet、EACVD 、 燃燒法等。燃燒法等。 圖圖2 金剛石結構金剛石結構 金剛石薄膜的結構金剛石薄膜的結構圖圖3 碳的相圖碳的相圖需要高真空需要高真空只需低真空只需低真空金剛石薄膜的制備方法金剛石薄膜的制備方法 金剛石薄膜制備的主要金剛石薄膜制備的主要CVD方法方法1、熱燈絲、熱燈絲CVD(HFCVD)；2、微波等離子體、微波等離子體CVD(MWPCVD)；3、直流等離子體、直流等離子體CVD(DC-CVD)；4、直流電弧等離子體射流、直流電弧等離子體射流CVD(DC-jet)；5、電子增強、電子增強CVD(EACVD)；6、磁微波等離子

12、體、磁微波等離子體CVD(ECRCVD)等方法；等方法；易于生長大面積金剛石膜易于生長大面積金剛石膜易于生長大面積金剛石膜易于生長大面積金剛石膜o研究證實，用化學氣相沉積法制備的金剛石研究證實，用化學氣相沉積法制備的金剛石薄膜，其力學、熱學、光學等物理性質已達薄膜，其力學、熱學、光學等物理性質已達到或接近天然金剛石。到或接近天然金剛石。 這些優(yōu)異性能使得它在機械工業(yè)、電子工業(yè)、這些優(yōu)異性能使得它在機械工業(yè)、電子工業(yè)、材料科學及光學領域中有著廣闊的應用前景，是一材料科學及光學領域中有著廣闊的應用前景，是一種新型材料。種新型材料。表表1 天然金剛石和天然金剛石和CVD金剛石薄膜的物理性質金剛石薄膜

13、的物理性質物物理理性性質質 天天然然金金剛剛石石 高高質質量量 CVD 金金剛剛石石多多晶晶薄薄膜膜 硬硬度度/（kg/mm2） 100001) 900010000 體體積積模模量量/GPa 4405901) 楊楊氏氏模模量量/GPa 12001） 接接近近天天然然金金剛剛石石 熱熱導導率率/W/(cmK),300K 201) 1020 縱縱波波聲聲速速/(m/s) 180001） 密密度度/(g/cm3) 3.6 2.83.5 折折射射率率（590nm 處處） 2.41 2.4 能能帶帶間間隙隙寬寬度度/eV 5.5 5.5 透透光光性性 225nm 至至遠遠紅紅外外2) 接接近近天天然然金

14、金剛剛石石 電電阻阻率率/（cm ） 1016 1012 表表2 國內外金剛石薄膜的研究進展國內外金剛石薄膜的研究進展各種動力學因素：各種動力學因素：o反應過程中輸入的熱能或射頻功率等的反應過程中輸入的熱能或射頻功率等的等離子體等離子體能量能量、反應氣體的、反應氣體的激活狀態(tài)激活狀態(tài)、反應氣體的、反應氣體的最佳比最佳比例例、沉積過程中、沉積過程中成核長大的模式成核長大的模式等對生成金剛石等對生成金剛石起著決定性的作用。起著決定性的作用。 選用選用與金剛石有相同或相近晶型和點陣常數(shù)的材料與金剛石有相同或相近晶型和點陣常數(shù)的材料作基片，降低金剛石的成核勢壘。卻提高了石墨的成核作基片，降低金剛石的成

15、核勢壘。卻提高了石墨的成核勢壘。石墨在基片上成核的可能性仍然存在，并且一旦勢壘。石墨在基片上成核的可能性仍然存在，并且一旦成核，就會在其核上高速生長，還可能生成許多非晶態(tài)成核，就會在其核上高速生長，還可能生成許多非晶態(tài)碳。碳。需要有一種能高速除去石墨和非晶態(tài)碳的腐蝕劑需要有一種能高速除去石墨和非晶態(tài)碳的腐蝕劑相比之下，相比之下，原子氫原子氫是最理想的腐蝕劑，它能同時是最理想的腐蝕劑，它能同時腐蝕金剛石和石墨，但它對石墨的腐蝕速率比腐蝕金剛腐蝕金剛石和石墨，但它對石墨的腐蝕速率比腐蝕金剛石的速率高石的速率高3040倍，這樣就能有效地抑制石墨相的倍，這樣就能有效地抑制石墨相的生長。生長。各種動力學

16、因素各種動力學因素：o通常用甲烷進行通常用甲烷進行熱解沉積熱解沉積。由于石墨的生成自由能大于金。由于石墨的生成自由能大于金剛石，當提高甲烷濃度時，石墨的生長速率將會提高，而剛石，當提高甲烷濃度時，石墨的生長速率將會提高，而且比金剛石還快，故一般采用低于且比金剛石還快，故一般采用低于1%的甲烷含量。的甲烷含量。o若沉積若沉積基片的溫度基片的溫度超過超過1000，則石墨的生成速率就會，則石墨的生成速率就會大幅度增加，考慮到工藝上的可能性，基片溫度約為大幅度增加，考慮到工藝上的可能性，基片溫度約為8001000。o原子氫原子氫的存在有利于穩(wěn)定的存在有利于穩(wěn)定sp3鍵。為了得到較高比例的原鍵。為了得到

17、較高比例的原子氫，采用微波、射頻或直流電弧放電，熱絲或火焰分解，子氫，采用微波、射頻或直流電弧放電，熱絲或火焰分解，以及催化等方法。以及催化等方法。o基片的基片的表面狀態(tài)表面狀態(tài)對金剛石的成核有很大影響。因為基體或對金剛石的成核有很大影響。因為基體或生長面的缺陷與金剛石晶核具有較高的結合能，將導致降生長面的缺陷與金剛石晶核具有較高的結合能，將導致降低成核的自由能。低成核的自由能。表表3 各種氣相合成金剛石薄膜方法比較各種氣相合成金剛石薄膜方法比較速率速率/（hm/方法方法 ）面積面積/cm2質量質量/拉拉曼測試曼測試襯襯 底底優(yōu)優(yōu) 點點缺缺 點點火焰法火焰法301003.515 努努 氏氏 硬

18、硬 度度 /（ kg/mm2） 12501650 10300（ 100） 11000（ 111） 11500（ 110） 氫氫 含含 量量 （ H/C） 0.150.60 0.0010.010 氫氫 的的 百百 分分 含含 量量 /% 1338 0.11.0 電電 阻阻 率率 /（cm） 1013 1016 光光 學學 能能 隙隙 /eV 0.81.8 5.48 透透 射射 帶帶 寬寬 /m 0.52 0.225- 紅紅 外外 頻頻 帶帶 /m 3,4,618 2.56.5 折折 射射 率率n（ 到到 1m） 1.82.2 2.40 標標 定定 的的 折折 射射 率率/n 1.21.22 0.

19、68 碳碳 組組 成成 68%3sp 100%3sp 30%2sp 類金剛石薄膜的應用類金剛石薄膜的應用 應應用用領領域域 舉舉例例 機機械械 DLC涂涂層層刀刀具具 電電子子 MIS結結構構光光敏敏元元件件 聲聲學學 揚揚聲聲器器振振動動膜膜 電電子子計計算算機機 磁磁介介質質保保護護膜膜、電電絕絕緣緣膜膜、光光刻刻電電路路板板用用掩掩模模 光光學學 保保護護層層和和抗抗反反射射層層、太太是是能能光光-熱熱轉轉換換層層、光光學學 一一次次寫寫入入記記錄錄介介質質、發(fā)發(fā)光光材材料料 醫(yī)醫(yī)學學 矯矯形形針針涂涂層層、人人工工心心臟臟瓣瓣膜膜 展望展望o由于類金剛石薄膜具有很多與金剛石薄膜類似的性

20、由于類金剛石薄膜具有很多與金剛石薄膜類似的性能，且沉積溫度低，面積大，吸附性好，表面平滑，能，且沉積溫度低，面積大，吸附性好，表面平滑，工藝成熟，所以它比多晶金剛石膜應用早而且更適工藝成熟，所以它比多晶金剛石膜應用早而且更適合于工業(yè)應用，如摩擦磨損高頻揚聲器振動膜、光合于工業(yè)應用，如摩擦磨損高頻揚聲器振動膜、光學窗口保護膜等。特別是沉積溫度低、膜面粗糙度學窗口保護膜等。特別是沉積溫度低、膜面粗糙度小的場合，如計算機磁盤表面保護膜、人工心臟瓣小的場合，如計算機磁盤表面保護膜、人工心臟瓣膜的耐磨和生物相容性膜等；要求大面積的場合，膜的耐磨和生物相容性膜等；要求大面積的場合，如托卡馬克型聚變裝置中的

21、壁，就只有如托卡馬克型聚變裝置中的壁，就只有DLC膜能膜能夠勝任。夠勝任。o因此，類金剛石薄膜這種多功能的新型材料，在各因此，類金剛石薄膜這種多功能的新型材料，在各個科學技術領域中將獲得更加廣泛的應用。個科學技術領域中將獲得更加廣泛的應用。電子薄膜電子薄膜o電子薄膜是微電子技術和光電子技術的基礎，它使器件電子薄膜是微電子技術和光電子技術的基礎，它使器件的設計與制造從所謂的設計與制造從所謂“雜質工程雜質工程”發(fā)展到發(fā)展到“能帶工程能帶工程”。o電子薄膜涉及范圍很廣，主要包括超導薄膜、導電薄膜、電子薄膜涉及范圍很廣，主要包括超導薄膜、導電薄膜、電阻薄膜、半導體薄膜、介質薄膜、磁性薄膜、壓電薄電阻薄

22、膜、半導體薄膜、介質薄膜、磁性薄膜、壓電薄膜和熱電薄膜等，在生活和生產中起著重要作用。膜和熱電薄膜等，在生活和生產中起著重要作用。o從制備技術來看，一般采用了薄膜制備的常用方法，例從制備技術來看，一般采用了薄膜制備的常用方法，例如如CVD法、法、PVD法和溶膠凝膠法等。為改善薄膜材料法和溶膠凝膠法等。為改善薄膜材料性能，新材料、新技術不斷涌現(xiàn)出來。表性能，新材料、新技術不斷涌現(xiàn)出來。表8列出了目前列出了目前屬無機材料范疇的電子薄膜的材料與應用情況。屬無機材料范疇的電子薄膜的材料與應用情況。232/SnOOIn2SnO2SiOCr表表8 無機材料電子薄膜無機材料電子薄膜、分分 類類材材 料料應用

23、舉例應用舉例超導薄膜超導薄膜LaLa、Y Y、BiBi、Ti Ti 系等氧化物系等氧化物超導無源器件（微帶傳輸線、諧振超導無源器件（微帶傳輸線、諧振器、濾波器、延遲線）、超導有源器、濾波器、延遲線）、超導有源器件（不同超導隧道結的約瑟夫森器件（不同超導隧道結的約瑟夫森器件）器件）導電薄膜導電薄膜多晶硅、金屬硅化物多晶硅、金屬硅化物、等透明導電膜等透明導電膜柵極材料、互連材料、平面發(fā)熱體、柵極材料、互連材料、平面發(fā)熱體、太陽能集熱器等太陽能集熱器等電阻薄膜電阻薄膜熱分解碳、硼碳、硅碳、熱分解碳、硼碳、硅碳、等金屬氧化膜、等金屬氧化膜、 金屬陶瓷膜金屬陶瓷膜薄膜電阻器薄膜電阻器半導體薄膜半導體薄膜

24、硅、鍺及硅、鍺及III-VIII-V族、族、II-VIII-VI族、族、IV-IV-VIVI族等化合物半導體膜族等化合物半導體膜集成電路、發(fā)光二極管、霍耳元件、集成電路、發(fā)光二極管、霍耳元件、紅外光電探測器、紅外激光器件、紅外光電探測器、紅外激光器件、太陽能電池太陽能電池介質薄臘介質薄臘SiOSiO、SiO2SiO2、Si3N4Si3N4、Al2O3Al2O3多元金多元金屬氧化物等屬氧化物等電容器介質、表面鈍化膜、多層布電容器介質、表面鈍化膜、多層布線絕緣膜、隔離和掩模層線絕緣膜、隔離和掩模層磁性薄膜磁性薄膜Fe3O4Fe3O4、Fe2O3Fe2O3、BiBi代石榴石膜等代石榴石膜等磁光盤、磁

25、記錄材料磁光盤、磁記錄材料壓電薄膜壓電薄膜ZnOZnO、AlNAlN、PbTiO3PbTiO3、Ta2O5Ta2O5等等表聲波器件、聲光器件表聲波器件、聲光器件熱電薄膜熱電薄膜PbTiO3PbTiO3等等熱釋電紅外探測器熱釋電紅外探測器光學薄膜與光電薄膜光學薄膜與光電薄膜 o光學薄膜是指利用材料的光學性質的薄膜。光學性光學薄膜是指利用材料的光學性質的薄膜。光學性質包括光的吸收、干涉、反射、透射等，因此光學質包括光的吸收、干涉、反射、透射等，因此光學薄膜涉及的領域有防反射膜、減反射膜、濾色器、薄膜涉及的領域有防反射膜、減反射膜、濾色器、光記錄介質、光波導等。光記錄介質、光波導等。o光電薄膜是指利

26、用光激發(fā)光電子，從而把光信號轉光電薄膜是指利用光激發(fā)光電子，從而把光信號轉變成電信號的薄膜，可制成光敏電阻和光的檢測、變成電信號的薄膜，可制成光敏電阻和光的檢測、度量等光電網元件，是目前發(fā)展最快，需求最迫切度量等光電網元件，是目前發(fā)展最快，需求最迫切的現(xiàn)代信息功能材料。由于光脈沖的工作頻率比電的現(xiàn)代信息功能材料。由于光脈沖的工作頻率比電脈沖高三個數(shù)量級，因此用光子來代替電子作為信脈沖高三個數(shù)量級，因此用光子來代替電子作為信息的載體是發(fā)展趨勢。息的載體是發(fā)展趨勢。 集成光學器件集成光學器件o兩種薄膜的材料種類、制備方法很多，本節(jié)以集成兩種薄膜的材料種類、制備方法很多，本節(jié)以集成光學器件為例，說明

27、光學薄膜和光電薄膜新的發(fā)展光學器件為例，說明光學薄膜和光電薄膜新的發(fā)展方向和相應的性能、制備技術要求。方向和相應的性能、制備技術要求。o集成光學已成為當今世界科技發(fā)展的一個重要領域，集成光學已成為當今世界科技發(fā)展的一個重要領域，主要研究以光的形式發(fā)射、調制、控制和接收信號，主要研究以光的形式發(fā)射、調制、控制和接收信號，并集光信號的處理功能為一身的集成光學器件，最并集光信號的處理功能為一身的集成光學器件，最終目標是替代目前的電子通訊手段，實現(xiàn)全光通訊，終目標是替代目前的電子通訊手段，實現(xiàn)全光通訊，一方面可提高傳播速度和信息含量，另一方面提高一方面可提高傳播速度和信息含量，另一方面提高技術可靠性。

28、光學薄膜與光電薄膜是實現(xiàn)集成光學技術可靠性。光學薄膜與光電薄膜是實現(xiàn)集成光學器件的重要基礎。器件的重要基礎。 集成光學器件的結構集成光學器件的結構 o集成光學器件的用途不同，所采用的材料不集成光學器件的用途不同，所采用的材料不同，元件集成的方式也不相同，但是從結構同，元件集成的方式也不相同，但是從結構上看，一般集成光學器件包括光波導、光耦上看，一般集成光學器件包括光波導、光耦合元件（例如棱鏡、光柵、透鏡等）、光產合元件（例如棱鏡、光柵、透鏡等）、光產生和接收元件（例如電光相位調制器）。生和接收元件（例如電光相位調制器）。o圖圖3（a）（d）是這幾種元件的結構示意）是這幾種元件的結構示意圖。圖。

29、集成光學器件的結構示意圖集成光學器件的結構示意圖 集成光學器件的材料及制備集成光學器件的材料及制備 o集成光學器件所采用的材料主要分為三類：集成光學器件所采用的材料主要分為三類：其中第一類是以其中第一類是以 為基礎形成的光電材為基礎形成的光電材料，包括料，包括 、 、 等，它們等，它們是制作光電子器件經常采用的材料；是制作光電子器件經常采用的材料；o第二類材料是以第二類材料是以 為代表的具有特為代表的具有特殊電光性質的單晶材料；殊電光性質的單晶材料；o第三類材料則包括了各種多晶和非晶態(tài)的物第三類材料則包括了各種多晶和非晶態(tài)的物質，如氧化物、玻璃以及聚合物等。質，如氧化物、玻璃以及聚合物等。Ga

30、AsAlGaAsInPGaInAsP3LiNbO集成光學器件的材料及制備集成光學器件的材料及制備o 類材料是極好的光電子材料，已被廣泛類材料是極好的光電子材料，已被廣泛用來制造各類發(fā)光器件（發(fā)光二極管、激光器）和用來制造各類發(fā)光器件（發(fā)光二極管、激光器）和光接收器件（光電二極管和三極管）。光接收器件（光電二極管和三極管）。o因而，采用這類材料的優(yōu)點是可以用外延、光刻等因而，采用這類材料的優(yōu)點是可以用外延、光刻等制造技術將光發(fā)射、光探測元件以及光波導集成制制造技術將光發(fā)射、光探測元件以及光波導集成制作在同一塊基板上。作在同一塊基板上。o而改變的而改變的 成分，不僅可以改變材料的禁成分，不僅可以改

31、變材料的禁帶寬度，還可以調整材料對光的折射率。帶寬度，還可以調整材料對光的折射率。o另外，采用中子照射的方法也可以通過降低材料中另外，采用中子照射的方法也可以通過降低材料中載流子密度，提高材料折射率，從而在材料中制備載流子密度，提高材料折射率，從而在材料中制備出光波導。出光波導。 GaAsAsCaAlx1x 納米薄膜納米薄膜 o納米薄膜是指晶粒尺寸或厚度為納米級納米薄膜是指晶粒尺寸或厚度為納米級（1100nm）的薄膜。）的薄膜。o但實際上目前研究最多的還是納米顆粒膜，但實際上目前研究最多的還是納米顆粒膜，即納米尺寸的微小顆粒鑲嵌于薄膜中所構成即納米尺寸的微小顆粒鑲嵌于薄膜中所構成的復合納米材料

32、體系。的復合納米材料體系。o由于納米相的特殊作用，顆粒膜成為一種新由于納米相的特殊作用，顆粒膜成為一種新型復合材料，在磁學、電學、光學非線性等型復合材料，在磁學、電學、光學非線性等方面表面出奇異性和廣泛的應用前景，引起方面表面出奇異性和廣泛的應用前景，引起人們的重視。人們的重視。 納米薄膜納米薄膜o將將Ge、Si或或C顆粒（一般顆粒（一般110nm）均勻彌散地鑲嵌）均勻彌散地鑲嵌在絕緣介質薄膜中，可在室溫下觀察到較強的可見光區(qū)在絕緣介質薄膜中，可在室溫下觀察到較強的可見光區(qū)域的光致發(fā)光現(xiàn)象。而體相的域的光致發(fā)光現(xiàn)象。而體相的Ge或或Si是不能發(fā)射出可是不能發(fā)射出可見光的。見光的。o這種新型納米

33、顆粒膜的發(fā)光機理主要是由于量子尺寸效這種新型納米顆粒膜的發(fā)光機理主要是由于量子尺寸效應、表面界面效應和介電限域效應等對應、表面界面效應和介電限域效應等對Ge等量子點的等量子點的電子結構產生影響引起的，另一方面由于量子限域效應，電子結構產生影響引起的，另一方面由于量子限域效應，納米材料的能帶結構具有直接帶隙的特征，同時伴隨著納米材料的能帶結構具有直接帶隙的特征，同時伴隨著光學帶隙發(fā)生藍移，能態(tài)密度增大和光輻射概率增強。光學帶隙發(fā)生藍移，能態(tài)密度增大和光輻射概率增強。o類似的例子還有類似的例子還有 光電薄膜，光電薄膜， 光光電薄膜等，都是我國科學家在近幾年取得的具有國際水電薄膜等，都是我國科學家在

34、近幾年取得的具有國際水平的研究成果。平的研究成果。OCsAg22SiOInAs介質薄膜材料介質薄膜材料o介電功能材料是以電極化為基本電學特征的功能材介電功能材料是以電極化為基本電學特征的功能材料。料。o所謂電極化就是指在電場（包括高頻電場）作用下，所謂電極化就是指在電場（包括高頻電場）作用下，正、負電荷中心相對移動從而出現(xiàn)電矩的現(xiàn)象。正、負電荷中心相對移動從而出現(xiàn)電矩的現(xiàn)象。o電極化隨材料的組分和結構、電場的頻率和強度以電極化隨材料的組分和結構、電場的頻率和強度以及溫度、壓強等外界條件的改變而發(fā)生變化，所以及溫度、壓強等外界條件的改變而發(fā)生變化，所以介電功能材料表現(xiàn)出多種多樣的、有實用意義的性

35、介電功能材料表現(xiàn)出多種多樣的、有實用意義的性質，成為電子和光電子技術中的重要材料。質，成為電子和光電子技術中的重要材料。介電功能材料的分類介電功能材料的分類o按化學分類有無機材料、有機材料以及無機與有機按化學分類有無機材料、有機材料以及無機與有機的復合材料；的復合材料；o按形態(tài)分類有三維（塊體）材料、二維（薄膜）材按形態(tài)分類有三維（塊體）材料、二維（薄膜）材料和一維（纖維）材料；料和一維（纖維）材料；o按結晶狀態(tài)分類有單晶、多晶和非晶材料。按結晶狀態(tài)分類有單晶、多晶和非晶材料。o從實用的觀點來看，按物理效應分類是一種較好的從實用的觀點來看，按物理效應分類是一種較好的方法。表方法。表4列出了各類

36、介電功能材料最主要的應用列出了各類介電功能材料最主要的應用領域。需要指出的是，多種物理效應往往同時存在領域。需要指出的是，多種物理效應往往同時存在于同一種材料中。于同一種材料中。表表4 介電功能材料按物理效應分類及其主要應用介電功能材料按物理效應分類及其主要應用 材料類型 最主要的應用領域 絕緣材料 電路集成與組裝 電容材料 電信號的調諧、耦合與儲能 村電材料 機電換能、頻率選擇與控制 電致伸縮材料 機電傳感及自動控制 熱釋電材料 熱釋電探測與成像 鐵電材料 光電信息存儲與顯示 電光材料 電光調制 光折變材料 全息存儲和集成光學 非線性光學材料 激光變頻和光信號處理 聲光材料 聲光調制 電介質

37、薄膜及應用電介質薄膜及應用 o電介質薄膜是指集成電路和薄膜元器件制造中所用的介電薄膜電介質薄膜是指集成電路和薄膜元器件制造中所用的介電薄膜和絕緣體薄膜。和絕緣體薄膜。o通常人們將電阻率大于通常人們將電阻率大于1010的材料稱為的材料稱為 “絕緣體絕緣體”，并且簡，并且簡單地認為電介質就是絕緣體，其實這是不確切的。嚴格地說，單地認為電介質就是絕緣體，其實這是不確切的。嚴格地說，絕緣體是指能夠承受較強電場的電介質材料，而電介質除了絕絕緣體是指能夠承受較強電場的電介質材料，而電介質除了絕緣體性外，主要是指在較弱電場下具有極化能力并能在其中長緣體性外，主要是指在較弱電場下具有極化能力并能在其中長期存在

38、（電場下）的一種物質。與金屬不同，電介質材料內部期存在（電場下）的一種物質。與金屬不同，電介質材料內部沒有電子的共有化，從而不存在自由電子，只存在束縛電荷，沒有電子的共有化，從而不存在自由電子，只存在束縛電荷，通過極化過程來傳遞和記錄電子信息，與此同時伴隨著各種特通過極化過程來傳遞和記錄電子信息，與此同時伴隨著各種特征的能量損耗過程。因此，電介質能夠以感應而并非傳導的方征的能量損耗過程。因此，電介質能夠以感應而并非傳導的方式來傳遞電磁場信息。式來傳遞電磁場信息。電介質薄膜按主要用途分類電介質薄膜按主要用途分類o介電性應用類：主要用于各種微型薄膜電容器和各介電性應用類：主要用于各種微型薄膜電容器

39、和各種敏感電容元件，這類元件常用的薄膜有種敏感電容元件，這類元件常用的薄膜有SiO、SiO2、Al2O3、Ta2O5、有時也用、有時也用AlN、Y2O3、B2TiO3、PbTiO3及鋯鈦酸（及鋯鈦酸（PZT）?。┍∧さ?；膜等；o絕緣性應用類：主要用于各種集成電路和各種金屬絕緣性應用類：主要用于各種集成電路和各種金屬-氧化物氧化物-半導體器件。在這類用途中，一是作為導半導體器件。在這類用途中，一是作為導電帶交叉區(qū)的絕緣層，二是作為器件極間的絕緣層，電帶交叉區(qū)的絕緣層，二是作為器件極間的絕緣層，常用的有常用的有SiO、SiO2、Si3O4等。等。o從組成上看介質薄膜主要是各種金屬氧化物、氮化從組成

40、上看介質薄膜主要是各種金屬氧化物、氮化物及多元金屬化合物薄膜。物及多元金屬化合物薄膜。 氧化物電介質薄膜的制備及應用氧化物電介質薄膜的制備及應用 o氧化物介質薄膜在集成電路和其他薄膜器件氧化物介質薄膜在集成電路和其他薄膜器件中有著廣泛的應用，例如中有著廣泛的應用，例如SiO2薄膜的生長薄膜的生長對超大規(guī)模集成電路平面工藝的發(fā)展有過重對超大規(guī)模集成電路平面工藝的發(fā)展有過重要的貢獻。要的貢獻。oSiO2薄膜是薄膜是MOS（M為金屬，為金屬，O為氧化物，為氧化物，S為半導體）器件的組成部分，它在超大規(guī)為半導體）器件的組成部分，它在超大規(guī)模集成電路多層（已達模集成電路多層（已達6層以上）布線中是層以上

41、）布線中是隔離器件的絕緣層，并且能阻擋雜質向硅單隔離器件的絕緣層，并且能阻擋雜質向硅單晶的擴散。晶的擴散。氧化物電介質薄膜的制備氧化物電介質薄膜的制備o除了用電子束蒸發(fā)、濺射、反應濺射等方法除了用電子束蒸發(fā)、濺射、反應濺射等方法生長生長SiO2薄膜之外，經常用硅單晶表層氧薄膜之外，經常用硅單晶表層氧化的方法生長這種薄膜，這種方法是一種反化的方法生長這種薄膜，這種方法是一種反應擴散過程。在硅單晶表面形成連續(xù)氧化后，應擴散過程。在硅單晶表面形成連續(xù)氧化后，氧化劑通過層擴散到氧化層氧化劑通過層擴散到氧化層/硅界面，和硅硅界面，和硅反應生成新的氧化層，使反應生成新的氧化層，使SiO2薄膜厚度不薄膜厚度

42、不增大。增大。 氧化物電介質薄膜的制備氧化物電介質薄膜的制備o SiO2薄膜的氧化生長是平面工藝的基礎，薄膜的氧化生長是平面工藝的基礎，氧化法主要有氧化法主要有3種；陽極氧化（室溫），等種；陽極氧化（室溫），等離子體陽極氧化（離子體陽極氧化（200800）和熱氧化）和熱氧化（7001250）。）。o硅的陽極氧化一般用于雜質分布的測定和結硅的陽極氧化一般用于雜質分布的測定和結深的精確測定，亦可用于在絕緣膜上的制作深的精確測定，亦可用于在絕緣膜上的制作硅單晶（簡稱硅單晶（簡稱SOI）的襯底。等離了體氧化）的襯底。等離了體氧化具有低溫等突出優(yōu)點。具有低溫等突出優(yōu)點。氧化物電介質薄膜的制備氧化物電介質

43、薄膜的制備o其他用作電容器材料的氧化物介質薄膜有其他用作電容器材料的氧化物介質薄膜有SiO、Ta2O5、Al2O3薄膜等。薄膜等。SiO、的、的蒸氣壓很高（蒸氣壓很高（1150進達進達133Pa），可），可以用通常的熱蒸發(fā)方法制備。以用通常的熱蒸發(fā)方法制備。oTa2O5和和Al2O3薄膜主要用濺射等方法制薄膜主要用濺射等方法制備，也經常用低成本的陽極氧化方法制備。備，也經常用低成本的陽極氧化方法制備。陽極氧化方法制備氧化物薄膜時，將金屬薄陽極氧化方法制備氧化物薄膜時，將金屬薄膜放入電解液中作為陽極，在恒定電流下生膜放入電解液中作為陽極，在恒定電流下生長氧化物薄膜。長氧化物薄膜。氧化物電介質薄膜

44、的應用氧化物電介質薄膜的應用 o（1）用作電容器介質）用作電容器介質o（2）用作隔離和掩膜層）用作隔離和掩膜層o（3）表面純化膜）表面純化膜o（4）多層布線絕緣膜）多層布線絕緣膜 鐵電薄膜材料及其應用鐵電薄膜材料及其應用 o鐵電體是一類具有自發(fā)極化的介電晶體，且鐵電體是一類具有自發(fā)極化的介電晶體，且其極化方向可以因外電場方向反向而反向。其極化方向可以因外電場方向反向而反向。o存在自發(fā)極化是鐵電晶體的根本性質，它來存在自發(fā)極化是鐵電晶體的根本性質，它來源于晶體的晶胞中存在的不重合的正負電荷源于晶體的晶胞中存在的不重合的正負電荷所形成的電偶極矩。所形成的電偶極矩。 o具有鐵電性，且厚度在數(shù)十納米至

45、數(shù)十微米具有鐵電性，且厚度在數(shù)十納米至數(shù)十微米的薄膜材料，叫鐵電薄膜。的薄膜材料，叫鐵電薄膜。 鐵電材料的研究發(fā)展鐵電材料的研究發(fā)展o從二十世紀八十年代以來，鐵電材料的研究主要從二十世紀八十年代以來，鐵電材料的研究主要集中于鐵電薄膜及異質結構、聚合物鐵電復合材集中于鐵電薄膜及異質結構、聚合物鐵電復合材料、鐵電液晶等方面。料、鐵電液晶等方面。o由鐵電薄膜與由鐵電薄膜與SiSi半導體集成技術相結合而發(fā)展起半導體集成技術相結合而發(fā)展起來的集成鐵電學（來的集成鐵電學（Integrated FerroelectricsIntegrated Ferroelectrics）及相關集成鐵電器件的研究，已成為鐵

46、電學研究及相關集成鐵電器件的研究，已成為鐵電學研究中最活躍的領域之一，亦在信息科學技術領域中中最活躍的領域之一，亦在信息科學技術領域中顯示出誘人的應用前景，受到了材料物理、凝聚顯示出誘人的應用前景，受到了材料物理、凝聚態(tài)物理、陶瓷學、微電子學和信息科學等領域中態(tài)物理、陶瓷學、微電子學和信息科學等領域中眾多學者的關注。眾多學者的關注。 鐵電體的性質與結構鐵電體的性質與結構o鐵電體的基本性質就是鐵電體的極化方向隨外電鐵電體的基本性質就是鐵電體的極化方向隨外電場方向反向而反向。極化強度與外電場的關系曲場方向反向而反向。極化強度與外電場的關系曲線如圖線如圖4 4所示，即電滯回線（所示，即電滯回線（hy

47、steresis loophysteresis loop）。）。o由于晶體結構與溫度有密切的關系，所以鐵電性由于晶體結構與溫度有密切的關系，所以鐵電性通常只存在于一定的溫度范圍內。當溫度超過某通常只存在于一定的溫度范圍內。當溫度超過某一特定值時，晶體由鐵電一特定值時，晶體由鐵電(ferroelectric)(ferroelectric)相轉相轉變?yōu)轫橂姡ㄗ優(yōu)轫橂姡╬araelectricparaelectric）相，即發(fā)生鐵電相變，）相，即發(fā)生鐵電相變，自發(fā)極化消失，沒有鐵電性。這一特定溫度自發(fā)極化消失，沒有鐵電性。這一特定溫度T Tc c稱稱為居里溫度或居里點為居里溫度或居里點(Curie

48、Temperature)(Curie Temperature)。 圖圖4 鐵電體電滯回線示意圖鐵電體電滯回線示意圖圖圖4中中PsA是飽和極化強度，是飽和極化強度，Pr是剩余極化強度，是剩余極化強度，Ec是矯頑場。是矯頑場。鐵電體的性質與結構鐵電體的性質與結構o在居里點附近鐵電體的介電性質、彈性性在居里點附近鐵電體的介電性質、彈性性質、光學性質和熱學性質等，都要出現(xiàn)反質、光學性質和熱學性質等，都要出現(xiàn)反常現(xiàn)象，即具有臨界特性。常現(xiàn)象，即具有臨界特性。o在在T Tc c時，介電系數(shù)、壓電系數(shù)、彈性柔順時，介電系數(shù)、壓電系數(shù)、彈性柔順系數(shù)、比熱和線性電光系數(shù)急劇增大。例系數(shù)、比熱和線性電光系數(shù)急劇增

49、大。例如：大多數(shù)鐵電晶體，在如：大多數(shù)鐵電晶體，在T Tc c時介電常數(shù)可時介電常數(shù)可達達10104 410105 5，這種現(xiàn)象稱為鐵電體在臨界，這種現(xiàn)象稱為鐵電體在臨界溫度附近的溫度附近的“介電反常介電反?！?。鐵電體的性質與結構鐵電體的性質與結構o當溫度高于當溫度高于T Tc c時，介電系數(shù)與溫度的關系服從居時，介電系數(shù)與溫度的關系服從居里外斯定律里外斯定律(Curie-Weiss Law)(Curie-Weiss Law)：o式中，式中，c c為居里常數(shù)為居里常數(shù)(Curie constant )(Curie constant )，T T為絕對為絕對溫度，溫度，T To o為順電居里溫度，

50、或稱為居里為順電居里溫度，或稱為居里- -外斯溫度，外斯溫度，它是使它是使 時的溫度。對于二級相變鐵電體，時的溫度。對于二級相變鐵電體，T T0 0T Tc c，對于一級相變鐵電體，對于一級相變鐵電體，T To oTTc c（居里點（居里點T TC C略略大于大于T T0 0）。）。 0TTco2020世紀世紀8080年代以后，薄膜制備技術取得了一系列年代以后，薄膜制備技術取得了一系列新的突破，眾多先進的薄膜制備技術，如射頻濺新的突破，眾多先進的薄膜制備技術，如射頻濺射射(rf-sputtering)(rf-sputtering)法、化學氣相沉積法、化學氣相沉積(CVD)(CVD)法、法、金屬

51、有機物沉積金屬有機物沉積(MOD)(MOD)法、金屬有機物化學氣相沉法、金屬有機物化學氣相沉積積(MOCVD)(MOCVD)法、溶膠法、溶膠- -凝膠凝膠(Sol-Gel)(Sol-Gel)法、脈沖激光法、脈沖激光沉積沉積(PLD)(PLD)法以及分子束外延法以及分子束外延(MBE)(MBE)法等先后用于法等先后用于制備鐵電薄膜，從而克服了鐵電體與半導體器件制備鐵電薄膜，從而克服了鐵電體與半導體器件集成的主要技術障礙，使得與半導體工藝兼容的集成的主要技術障礙，使得與半導體工藝兼容的集成鐵電器件成為可能，大大推進了鐵電薄膜制集成鐵電器件成為可能，大大推進了鐵電薄膜制備與應用研究的發(fā)展。備與應用研

52、究的發(fā)展。 鐵電薄膜制備技術的發(fā)展鐵電薄膜制備技術的發(fā)展鐵電薄膜制備技術鐵電薄膜制備技術o目前，鐵電薄膜制備工藝主要有以下四種，目前，鐵電薄膜制備工藝主要有以下四種， 濺射法濺射法 MOCVD技術技術 Sol-Gel法法 PLD法法o表表5給出這四種主要制膜技術的發(fā)展現(xiàn)狀。給出這四種主要制膜技術的發(fā)展現(xiàn)狀。項目項目濺射法濺射法PLDPLD法法MOCVDMOCVD法法Sol-GelSol-Gel法法附著力附著力很好很好好好好好好好復雜化合物沉積復雜化合物沉積不好不好很好很好不好不好好好沉積速率沉積速率一般一般好好好好一般一般均勻性均勻性好好好好很好很好很好很好顯微結構顯微結構好好好好好好很好很好

53、化學計量比控制化學計量比控制較好較好好好很好很好很好很好退火溫度退火溫度低低較低較低較低較低較高較高摻雜難度摻雜難度困難困難一般一般容易容易容易容易厚度控制厚度控制容易容易容易容易容易容易困難困難重復性重復性一般一般較好較好好好好好沉積外延膜沉積外延膜好好好好好好一般一般工藝開發(fā)要求工藝開發(fā)要求一般一般一般一般較高較高一般一般設備耗資設備耗資較大較大較大較大一般一般較少較少擴大規(guī)模的難度和成本擴大規(guī)模的難度和成本較高較高一般一般較少較少較少較少表表5 5 鐵電薄膜四種主要制備技術的對比鐵電薄膜四種主要制備技術的對比 薄膜的物化結構性能表征主要包括三個方面：薄膜的物化結構性能表征主要包括三個方面

54、：o薄膜的組分，組分沿薄膜表面和縱向的分布，以薄膜的組分，組分沿薄膜表面和縱向的分布，以及薄膜中各組元的化學價態(tài)；及薄膜中各組元的化學價態(tài)；o薄膜的結晶學性能，包括晶體結構與取向，晶格薄膜的結晶學性能，包括晶體結構與取向，晶格常數(shù)及其隨溫度的變化等；常數(shù)及其隨溫度的變化等；o薄膜的形貌與顯微結構，包括晶界、疇界和電疇薄膜的形貌與顯微結構，包括晶界、疇界和電疇的取向等。的取向等。鐵電薄膜的物化結構性能表征鐵電薄膜的物化結構性能表征組分與價態(tài)分析組分與價態(tài)分析o分析薄膜的組分及組分的分布情況，大多采用能分析薄膜的組分及組分的分布情況，大多采用能譜分析。譜分析。o基于電子的能譜基于電子的能譜，如電子

55、探針微區(qū)分析（，如電子探針微區(qū)分析（EPMAEPMA）、）、X X射線光電子能譜（射線光電子能譜（XPSXPS）、俄歇電子能譜（）、俄歇電子能譜（AESAES）。）。o基于質子的能譜基于質子的能譜，如二次離子質譜（，如二次離子質譜（SIMSSIMS）、盧）、盧瑟福背散射譜（瑟福背散射譜（RBSRBS）等。通過這些能譜技術，不）等。通過這些能譜技術，不僅可以對薄膜的成分進行定性或定量的分析，還僅可以對薄膜的成分進行定性或定量的分析，還可對薄膜的成分（包括雜質）進行微區(qū)分析、表可對薄膜的成分（包括雜質）進行微區(qū)分析、表面均勻分析和斷面（縱向）均勻分析。面均勻分析和斷面（縱向）均勻分析。 結晶學性能

56、分析結晶學性能分析o鐵電薄膜的結晶學性能分析的內容包括：鐵電薄膜的結晶學性能分析的內容包括：相分析相分析，如是單相還是復相，是鈣鈦礦相還是焦綠石相，是如是單相還是復相，是鈣鈦礦相還是焦綠石相，是非晶、多晶還是單晶，晶格常數(shù)及其隨溫度的變化非晶、多晶還是單晶，晶格常數(shù)及其隨溫度的變化等；等；取向分析取向分析，即分析多晶鐵電薄膜是隨機取向，即分析多晶鐵電薄膜是隨機取向，還是沿某些特定的晶軸方向有選擇的取向。如需要還是沿某些特定的晶軸方向有選擇的取向。如需要制備單晶薄膜，首先要確定薄膜是否是單晶結構，制備單晶薄膜，首先要確定薄膜是否是單晶結構，并確定薄膜與襯底之間的外延關系。并確定薄膜與襯底之間的外

57、延關系。o結晶學性能分析采用的主要技術是結晶學性能分析采用的主要技術是衍射技術衍射技術，包括，包括X X射線衍射（射線衍射（XRDXRD）和電子衍射，特別是反射式高能）和電子衍射，特別是反射式高能電子衍射（電子衍射（RHEEDRHEED）。）。形貌與微結構分析形貌與微結構分析o鐵電薄膜的形貌和微結構研究，無論是對鐵鐵電薄膜的形貌和微結構研究，無論是對鐵電薄膜的性能分析還是器件應用，都是相當電薄膜的性能分析還是器件應用，都是相當重要的。例如，鐵電薄膜的疲勞和老化性能重要的。例如，鐵電薄膜的疲勞和老化性能往往與微結構有密切的關系。往往與微結構有密切的關系。o鐵電薄膜的形貌和微結構研究的內容很豐富，

58、鐵電薄膜的形貌和微結構研究的內容很豐富，其中包括：表面與斷面的形貌、晶粒尺寸、其中包括：表面與斷面的形貌、晶粒尺寸、晶粒邊界、多晶薄膜晶粒內或單晶薄膜中的晶粒邊界、多晶薄膜晶粒內或單晶薄膜中的電疇及其取向；薄膜的缺陷，如點缺陷、位電疇及其取向；薄膜的缺陷，如點缺陷、位錯、微裂紋；界面狀況分析，如晶格失配、錯、微裂紋；界面狀況分析，如晶格失配、界面原子的互擴散等。界面原子的互擴散等。 形貌與微結構分析形貌與微結構分析o研究形貌與微結構的基本技術是電子顯微技研究形貌與微結構的基本技術是電子顯微技術，如采用掃描電子顯微鏡（術，如采用掃描電子顯微鏡（SEMSEM）、透射）、透射電子顯微鏡（電子顯微鏡（

59、TEMTEM）或高分辨率透射電子顯）或高分辨率透射電子顯微鏡（微鏡（HRTEMHRTEM）等進行觀察。也有的研究工）等進行觀察。也有的研究工作者利用其它顯微技術（如采用原子力顯微作者利用其它顯微技術（如采用原子力顯微鏡，簡記為鏡，簡記為AFMAFM）來分析鐵電薄膜的形貌。）來分析鐵電薄膜的形貌。鐵電薄膜的電學性能及其表征鐵電薄膜的電學性能及其表征o鐵電薄膜電學性能主要指其介電性、壓電性、鐵電薄膜電學性能主要指其介電性、壓電性、熱釋電性和鐵電性，主要的電學參數(shù)有電阻熱釋電性和鐵電性，主要的電學參數(shù)有電阻率（或電導率）、介電常數(shù)、介電損耗、介率（或電導率）、介電常數(shù)、介電損耗、介電常數(shù)隨溫度的變化

60、（介電溫譜）、介電常電常數(shù)隨溫度的變化（介電溫譜）、介電常數(shù)隨頻率的變化（介電頻譜）、電滯回線及數(shù)隨頻率的變化（介電頻譜）、電滯回線及其矩形度、自發(fā)極化強度（其矩形度、自發(fā)極化強度（PsPs）、剩余極化）、剩余極化強度（強度（PrPr）、矯頑強度（）、矯頑強度（EcEc）、機電耦合系）、機電耦合系數(shù)、壓電系數(shù)、熱釋電系數(shù)、相關材料應用數(shù)、壓電系數(shù)、熱釋電系數(shù)、相關材料應用時的品質因數(shù)等。時的品質因數(shù)等。鐵電薄膜的電學性能及其表征鐵電薄膜的電學性能及其表征o鐵電薄膜的介電性能（包括介電常數(shù)、介電損鐵電薄膜的介電性能（包括介電常數(shù)、介電損耗、介電溫譜和介電頻譜）大多采用阻抗分析耗、介電溫譜和介電頻