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可控界面对典型功能薄膜器件物理性能的调制研究

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目录

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 固态电子薄膜器件应变调控的研究历史与现状

1.3 柔性电子薄膜器件应变调控的研究历史与现状

1.4 论文的主要工作和结构安排

第二章 斜切基底上典型功能薄膜的制备与表征

2.1 引言

2.2 铝酸镧单晶斜切基底的表面微结构

2.3 高分子前驱体溶液的制备机理

2.4基于斜切基底外延介电钛酸铜钙薄膜

2.4.1 钛酸铜钙薄膜样品的制备

2.4.2 薄膜的结构表征和测试系统

2.5 基于斜切基底外延介电调谐钛酸锶钡薄膜

2.5.1 钛酸锶钡薄膜样品的制备

2.5.2 薄膜的结构表征和测试系统

2.6 基于斜切基底外延磁性镧锶锰氧薄膜

2.6.1 镧锶锰氧薄膜样品的制备

2.6.2 薄膜的结构表征和测试系统

2.7 本章小结

第三章 斜切基底对外延功能薄膜物理性能的调控

3.1 引言

3.2 斜切基底对介电钛酸铜钙薄膜的调控

3.2.1 钛酸铜钙薄膜微观结构的调控

3.2.2 钛酸铜钙薄膜介电性能的调控

3.2.3 钛酸铜钙薄膜结构和性能的调控机理

3.3 斜切基底对介电钛酸锶钡薄膜的调控

3.3.1 钛酸锶钡薄膜微观结构的调控

3.3.2 钛酸锶钡薄膜介电性能的调控

3.3.3 钛酸锶钡薄膜结构和性能的调控机理

3.4 斜切基底对磁性镧锶锰氧薄膜的调控

3.4.1 镧锶锰氧微观结构的调控

3.4.2 镧锶锰氧电子运输和磁学性能的调控

3.5 本章小结

第四章 柔性硅薄膜和柔性氧化铟锡硅异质结的制备

4.1 引言

4.2 柔性硅薄膜的制备与表征

4.2.1 柔性硅薄膜的制备流程

4.2.2 柔性硅薄膜的结构表征

4.2.3 弯曲作用下柔性硅薄膜的性质

4.3 柔性异质结的制备与表征

4.3.1 柔性异质结的制备流程

4.3.2 柔性异质结的结构表征

4.4 本章小结

第五章 基于柔性氧化铟锡硅异质结的光探测器

5.1 引言

5.2 柔性光探测器的弯曲应变模型

5.2.1 柔性光探测器的制备

5.2.2 弯曲应变理论模型

5.2.3 弯曲应变的力学仿真

5.3 弯曲应变对柔性光探测器的性能调控

5.3.1 弯曲应变下的电学特性

5.3.2 弯曲应变下的光响应特性

5.3.3 弯曲应变下的光响应稳定性

5.4 弯曲应变对柔性光探测器性能的调控机理

5.5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 论文工作主要创新点

6.3 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果

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摘要

先进功能薄膜材料涵盖了电、磁、光、热等物理化学性质,一直以来都是各国学术界、工业界及高新技术产业界关注的焦点,且相关研究已经渗透到了材料科学、信息科学、生命科学等众多领域。新型功能薄膜材料的广泛研究,将导致材料技术的革新,并有望在高密度信息存储、高精度智能传感、可穿戴电子器件等新兴领域获得应用。精确调控功能薄膜材料的结构,定制薄膜的物理性能进而灵活有效地运用功能薄膜是实现许多功能器件的关键挑战。功能薄膜器件性能的可控调节已经成为新型电子器件功能集成化的重要突破口。针对以上问题,本论文重点围绕固态、柔性薄膜电子器件的物理性能界面调控机理,从生长过程中引入的失配应变和器件柔性化后引入的外加应变出发,开展了系统的研究,建立了局域应变调控固态薄膜器件性能的模型,构建了外界应力调控柔性薄膜器件能带结构的模型。 固态薄膜器件研究方面,本论文采用了高分子辅助沉积法在具有表面台阶微结构的斜切铝酸镧(LAO)基底外延典型功能氧化物薄膜,研究斜切基片对固态薄膜器件性能的调控作用,并提出了局域应变模型。斜切基底预处理结果表明:不同斜切方向([100]和[110])基底在退火预处理温度达到900℃时,表面形成平行和锯齿形两种台阶表面微结构。不同斜切角度(1°、2.75°和5°)斜切基底表面会形成宽度不等的台阶结构,且退火处理能促使表面台阶聚集重构以降低表面能。外延薄膜的研究结果表明:局域应变生长模式能够降低钛酸铜钙(CCTO)薄膜中的位错密度,进而在保持介电常数可调的基础上,降低薄膜介电损耗降。具体表现为5°斜切基底上的CCTO介电常数高达1400,同时介电损耗下降了半个数量级。另外,斜切基底引入的局域应变对沉积的镧锶锰氧(LSMO)、钛酸锶钡(BST)薄膜分别表现出良好的磁性、介电性能调控作用,均引入面内各向异性,具体表现为1°斜切基片([100]斜切方向)上的BST介电常数和调谐率在两个面内方向上分别相差11%和5%,这种调控性能是常规基片外延薄膜无法比拟的。 基于固态基片应力调控薄膜器件物理性能的启发,进一步设计出氧化铟锡/硅(ITO/Si)柔性异质结光电器件,深入研究了外界应力对异质结能带结构的调控机制,从实验上解决了多层薄膜转印的工艺难题。根据实验结果和力学理论模型量化了弯曲应变和能带调控的关系,利用能带应变调控理论探讨了光电性能优化的方法。柔性系统弯曲测试表明:弯曲导致系统中Si的拉曼特征峰红移,表明单轴拉伸应变在柔性系统中成功引入。柔性ITO/Si异质结多次弯曲后无明显损伤和裂纹表明柔性结构具有机械可靠性。通过弯曲应变调控,ITO/Si柔性异质结的开启电压可以在0.23V和0V之间可逆转变,具有欧姆-肖特基可逆转变的价带结构。基于I-V测试、IPCE测试和力学理论模型,建立了弯曲单轴应变和异质结势垒高度的关系,且测试结果和理论模型具有很好的一致性,证明了异质结界面的能带结构可以通过弹性应变可逆连续地调整。柔性系统光响应测试表明:柔性异质结光探测器对400-800nm的光均有响应,且在405nm光辐照时,具有较大光电流。相较于平面柔性异质结,弯曲半径3cm的异质结具有更稳定的探测灵敏度和线性动态范围,且在光脉冲信号下响应、恢复时间降低了一个数量级(<1ms)。柔性异质结长时间的稳定光响应证实了器件探测性能的可靠性。另外,ITO/Si异质结的透光率高达65%,适用于多层集成。 通过应变对固态、柔性薄膜电子器件的物理性能调控机理的研究,既为新型薄膜电子器件的制备提供了技术和理论基础,又为界面应变的调控提供了新的途径。

著录项

  • 作者

    姚光;

  • 作者单位

    电子科技大学;

  • 授予单位 电子科技大学;
  • 学科 微电子学与固体电子学
  • 授予学位 博士
  • 导师姓名 林媛;
  • 年度 2019
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类
  • 关键词

    界面; 典型; 功能; 薄膜器件; 物理性能;

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