射頻磁控濺鍍法成長鉍銅硒氧磊晶薄膜

Abstract

本研究的目標為磊晶成長鉍銅硒氧(BiCuSeO)薄膜及鐵酸鉍(BiFeO3)薄膜，並期望鉍銅硒氧薄膜及鐵酸鉍薄膜能依序以磊晶的方式成長至(001)及(110)鈦酸鍶單晶基板上。 實驗室曾嘗試以射頻磁控濺鍍法於(001)鈦酸鍶基板沉積鉍銅硒氧薄膜，但由於鍍率過快無法以磊晶方式成長，因此分別以兩種方式來達到降低鍍率之方法(1)於基板上方架設不鏽鋼網目來增加粒子散射(2)利用擋板開關秒數設置給粒子充份的時間擴散排列。使用不鏽鋼網目降低鍍率限制較多，依網目的開口面積比例達到不同速率的鍍率，使用120mesh於基板溫度400oC可以沉積出具有(001)優選方向的鉍銅硒氧薄膜，但仍然存在(110)方向，且使用不鏽鋼網目增加粒子散射之方式會造成薄膜表面平整度變差；使用擋板秒數設置，可以準確的控制不同速率的鍍率，於基板溫度400oC下擋板開1秒關30秒，即可磊晶出(001)鉍銅硒氧薄膜，膜厚約為40nm，鍍率約1 33nm/min，導電率約49 5 S×cm-1，透過精密的XRD分析晶格常數a、b軸拉長，c軸輕微壓縮，顯示未受基板晶格箝制，而是氧空缺存在使整體晶包體積變大，特別於a、b平面缺少氧原子束縛，使其拉長效果特別明顯，使用擋板秒數設置可以於不同基板溫度下成長(001)方向之鉍銅硒氧薄膜，但溫度高於500oC後，鉍銅硒氧相會出現高溫分解相。 本實驗中也嘗試於(110)鈦酸鍶基板上磊晶成長鉍銅硒氧，其唯有在基板溫度500oC能成長(001)之鉍銅硒氧薄膜，且不需透過其他方式降低鍍率；基板溫度低於500oC形成多晶的鉍銅硒氧相；基板溫度600oC可形成(001)鉍銅硒氧相，但伴隨高溫分解相。基板溫度500oC於(110)鈦酸鍶基板上磊晶的鉍銅硒氧薄膜，鍍率約為15nm/min、導電率為105 S×cm-1，其晶格常數a、b也是受到拉長與(001)鈦酸鍶沉積的鉍銅硒氧薄膜相同，以微氧條件退火證明氧空缺確實存在。 於(001)鉍銅硒氧薄膜沉積鐵酸鉍薄膜，鐵酸鉍於基板溫度600oC下才能得較佳的結晶度，而鉍銅硒氧相因鉍元素大量揮發無法於基板溫度600oC下成長，因此以一多鉍靶材濺鍍成長鉍銅硒氧薄膜，其確實可於基板溫度600oC下成長(001)鉍銅硒氧薄膜但伴隨些微雜相，此外鉍銅硒氧薄膜與鐵酸鉍薄膜交界處，部分的鉍銅硒氧會分解出現另一結構，由XRD與TEM元素分析結果為CuSeO5、Cu1 8Se及Bi2O3，其中CuSeO5與Cu1 8Se為鉍銅硒氧於高溫下常出現之雜相，而Bi2O3相應為鉍銅硒氧接觸鐵酸鉍薄膜中較高濃度的鉍與氧後，擴散入鉍銅硒氧薄膜表層所形成之雜相，當基板溫度越高分解相越嚴重，此分解相會造成鐵酸鉍無法磊晶至鉍銅硒氧薄膜上，因此改善及增加鉍銅硒氧的穩定性將成鉍銅硒氧材料應用的關鍵所在。

Date of Award	2018 Aug 1
Original language	Chinese
Supervisor	Xiao-Ding Qi (Supervisor)