论文摘要：磁电薄膜电极LaNiO3体系结构与性能研究

磁电复合材料作为一种新型功能材料，具有独特的性质，在微波领域、宽波段磁探测、磁场感应器等领域有着重要的应用。磁电薄膜中铁电相（铁电薄膜）的电性能与薄膜本身的微结构和择优取向密切相关，而电极材料对薄膜取向性的影响尤为突出，其结构直接决定铁电薄膜的结构和取向。LaNiO3 (LNO) 晶体具有赝立方钙钛矿结构，晶格常数为3.84Å，与目前广泛研究的铁电材料具有类似的晶体结构和良好的晶格匹配性，被认为是理想的电极材料之一。制备研究高择优取向且导电性能良好的LaNiO3电极薄膜对获得性能优异的磁电复合薄膜及其在微电子领域的应用具有十分重要的意义。本论文采用射频磁控溅射方法（Radio Frequency Magnetron Sputtering Method）在Si（100）基片上制备LaNiO3薄膜，并进行溅射工艺、氧分压、金属掺杂等条件对其结构及电性能影响规律的研究。首先研究了溅射功率、溅射气压、薄膜厚度及基片温度对薄膜结构及性能的影响，确定了制备LaNiO3电极薄膜的最佳工艺条件。研究表明，存在一临界厚度160nm，当小于该厚度时，薄膜电导率随厚度增加大幅度提高；超过该厚度时，LaNiO3薄膜电阻率变化不大，电性能趋近于块体材料。此外，基片温度对LaNiO3薄膜结构及电性能的影响显著，基片温度为400 ℃时，薄膜尚未晶化；500 ℃后薄膜开始结晶并呈现钙钛矿结构。同时，随着基片温度的升高，薄膜电阻率先降低后升高，基片温度超过700℃时，薄膜电性能下降。其次，氧分压对 LaNiO3 薄膜性能影响的研究结果表明，基片温度为600 ℃时，不同氧分压条件下的LaNiO3薄膜均呈现钙钛矿结构，并具有（100）择优取向。随着氧分压的增加，薄膜的沉积速率下降，Ni/La的原子摩尔比增大，薄膜电阻率降低，并且当Ni/La比接近于1时，导电性最佳。随氧分压的增加，LaNiO3薄膜的导电机制由离子导电为主导转变为电子导电为主导。此外，研究了氧分压对薄膜晶化温度影响，结果表明，当氧分压为75％时，LaNiO3薄膜的晶化温度从纯氩气时的500℃降低到了400℃，且薄膜依然呈现明显的钙钛矿结构并且具有（100）择优取向。同时，LaNiO3薄膜室温电阻率约为1.1×10-3Ω•cm，表现出良好的导电性。在上述研究基础上，进一步研究了金属掺杂（Ni、Pd、Pt）的LaNiO3复合电极。研究结果表明， Ni掺杂有利于提高LaNiO3电极薄膜的电导率，当Ni/La原子比接近于1时，薄膜导电性能最好，而Ni过量时，薄膜电性能开始恶化。Pt掺杂可以大幅度提高LaNiO3复合电极的导电性能，随着Pt含量的增加，LaNiO3复合薄膜的电阻率显著降低，最低为6.0×10-5Ω•cm，比纯LaNiO3电极薄膜电阻率低一个数量级，且该复合电极仍具有钙钛矿结构。同为铂族元素，金属Pd掺杂对LaNiO3复合电极性能改善不明显，并且该复合薄膜基本不能形成钙钛矿结构，因此不能作为理想的掺杂元素用于提高电极材料特性。最后，本论文在LaNiO3电极层上制备获得了高（100）择优取向的BaTiO3铁电薄膜。