● 摘要
钙钛矿结构氧化物薄膜因其具有独特的晶体结构，优异的电、磁、光等物理性能，在微电子学、光电子学、信息存贮介质和微机电系统等领域内有着广阔的应用前景。近年来对钙钛矿结构薄膜尤其是具有铁电、磁电及耦合功能的薄膜与器件的制备、性能及应用的研究已经成为国际上新型多功能材料与器件研究的热点。本论文针对目前钙钛矿结构铁电薄膜主要以氧化物单晶基片为基体，不利于与半导体芯片技术兼容以实现其广泛应用这一问题，开展钙钛矿结构薄膜底电极LaNiO3与铁电薄膜BaTiO3在单晶硅基片上的连续取向生长、底电极LaNiO3的结构与输运特性以及LaNiO3/BaTiO3界面结构对BaTiO3的介电与铁电性能的影响规律研究。成功地在单晶硅基片上采用纯氩气氛溅射制备了具有（001）择优取向和低室温电阻率的LaNiO3电极薄膜，提出了缺氧LaNiO3-δ的电输运特性随Ni3+/Ni2+比例变化的能带模型，并对LaNiO3进行改性制备了Pt–LaNiO3复合电极薄膜。沉积温度对LaNiO3的结构与导电特性有较大的影响，基片温度为600℃时LaNiO3薄膜具有优异的（001）择优取向和低室温电阻率1.6×10-3 Ω cm；氧含量的降低导致LaNiO3-δ中Ni3+/Ni2+比的降低，从而引起LaNiO3-δ的金属–绝缘体转变，随氧含量的减小，LaNiO3-δ导带、价带的窄化和重叠程度的减弱是导致其强烈电子–电子耦合关联效应的起源；随着Pt含量的增加，Pt–LaNiO3复合电极薄膜的电阻率单调下降，同时薄膜的（001）取向度也逐渐下降，Pt含量约为36at.%时是复合电极薄膜既能保持较好（001）择优取向、又有较低室温电阻率（5.84×10-5 Ω cm）的临界点。实现了单晶硅基片/（001）取向Pt–LaNiO3复合电极薄膜/（001）取向BaTiO3铁电薄膜的连续取向生长，适当的Pt添加（≤36at.%）有利于增加BaTiO3的晶粒尺寸、提高其室温剩余极化强度。底电极层的微结构、结晶度、厚度是直接影响BaTiO3铁电薄膜的结晶度、晶体取向及其铁电和介电性能的主要参数。底电极层的应变状态对BaTiO3铁电层的应变状态、铁电相变和电畴结构有较大的影响。当LaNiO3层较薄（100nm）时，与硅基片热膨胀系数的差异使其处于拉应变状态，导致BaTiO3铁电层也呈现面内拉应变状态，铁电层的介电响应存在两个峰值，分别对应BaTiO3由立方顺电相到四方a1/a2/a1/a2铁电相的二级相变和由a1/a2/a1/a2相到ca1/ca2/ca1/ca2相的多畴结构相变，剩余极化约为6.1µC/cm2，铁电相变温度由BaTiO3陶瓷的120℃上升到170℃；当LaNiO3层厚度达到600nm时，LaNiO3层处于近似无应变状态，BaTiO3铁电层（约100nm）呈现面内压应变状态和c/a/c/a结构的面内畴分布，剩余极化为10.2µC/cm2，压应变引起的BaTiO3布里渊区中心处软模的硬化导致铁电相变温度降为100℃。提出了用磁场辅助交流阻抗谱表征BaTiO3–Ni铁电–铁磁复合薄膜磁电耦合效应的方法，成功地检测出薄膜内部“磁致伸缩–内应力–逆压电”的磁电耦合效应。BaTiO3–Ni磁电复合薄膜呈现双相结构，随着Ni含量的增加，薄膜显示出明显的铁磁性，当Ni含量小于22at.%时，复合薄膜的介电常数和介电损耗随Ni含量的增加而增大，符合经典的渗流理论，当Ni含量进一步增加时，复合薄膜的介电常数急剧下降、介电损耗急剧增加。