142薄膜的电学性质课件.pptx

1、 金属膜在电子学领域的应用很广，包括半导体器件金属膜在电子学领域的应用很广，包括半导体器件的电极、各种集成电路的导线和电极、电阻器、电的电极、各种集成电路的导线和电极、电阻器、电容器、超导器件、敏感元件等。容器、超导器件、敏感元件等。金属膜电导不同于块材，它的大小和性质取决于薄金属膜电导不同于块材，它的大小和性质取决于薄膜的结构和厚度，很大程度上即取决于成膜工艺。膜的结构和厚度，很大程度上即取决于成膜工艺。1.4.2.1 1.4.2.1 金属薄膜的电学性质金属薄膜的电学性质一、块状金属材料的导电性质一、块状金属材料的导电性质宏观理论宏观理论基本物理量：电阻基本物理量：电阻R、电阻率、电阻率、电

2、导、电导、电阻温度系数、电阻温度系数电阻率只与金属材料本性有关，与导体的几何尺电阻率只与金属材料本性有关，与导体的几何尺寸无关，与温度有关。寸无关，与温度有关。薄膜电阻率的测量 四探针直线四探针正方形四探针微观理论微观理论量子力学对金属导电量子力学对金属导电问题的看法：问题的看法：在金属晶体中，原子失去价电子成为正离子。正在金属晶体中，原子失去价电子成为正离子。正离子构成晶体点阵，价电子则成为公有化的自由电离子构成晶体点阵，价电子则成为公有化的自由电子。金属中正离子形成的电场是均匀的。对于电子子。金属中正离子形成的电场是均匀的。对于电子的运动不可能同时测准其位置和动量，只能用电子的运动不可能同

3、时测准其位置和动量，只能用电子出现的几率来描述电子的位置。根据波粒二象性原出现的几率来描述电子的位置。根据波粒二象性原理，对电子的运动既可用质量、速度和动能来描述，理，对电子的运动既可用质量、速度和动能来描述，又可用波长、频率等参数描述。自由电子的能量必又可用波长、频率等参数描述。自由电子的能量必须符合量子化的不连续性。须符合量子化的不连续性。由此得由此得金属电阻率金属电阻率m是电子质量，是电子质量，e是电子电荷，是电子电荷，n是是参与导电的有效电子浓度，参与导电的有效电子浓度，是电是电子波受相邻两次散射的间隔时间，子波受相邻两次散射的间隔时间，也常用散射几率也常用散射几率P=1/(单位时间的

4、单位时间的散射次数散射次数)来表示电子波的散射。来表示电子波的散射。电阻率与金属晶体中散射的关系电阻率与金属晶体中散射的关系主要的散射机构：晶格散射主要的散射机构：晶格散射(声子散射声子散射)、电离杂质、电离杂质散射、中性杂质散射、位错散射、载流子散射和晶散射、中性杂质散射、位错散射、载流子散射和晶粒间界散射。粒间界散射。其中只有声子散射与温度有关，其对电阻率的贡献其中只有声子散射与温度有关，其对电阻率的贡献 高温时高温时 低温时低温时 电阻率电阻率当温度趋于当温度趋于0K时，时，T也趋于零，电阻率趋于剩余电也趋于零，电阻率趋于剩余电阻率阻率i。二、连续金属膜的导电性质二、连续金属膜的导电性质

5、1、性质特点、性质特点(a)薄膜电阻率与薄膜厚度有密切关系，随膜厚的增大薄膜电阻率与薄膜厚度有密切关系，随膜厚的增大电阻率逐渐减小并趋于稳定值。电阻率逐渐减小并趋于稳定值。(b)薄膜电阻率始终大于块金属箔电阻率。薄膜电阻率始终大于块金属箔电阻率。(c)薄膜电阻率的温度系数与膜厚有关。薄膜电阻率的温度系数与膜厚有关。(d)薄膜电阻率受时间或温度影响发生不可逆变化。薄膜电阻率受时间或温度影响发生不可逆变化。(e)薄膜电阻率与晶粒尺寸有关。薄膜电阻率与晶粒尺寸有关。(f)其它还有薄膜霍耳系数与膜厚有关；薄膜热电势与膜其它还有薄膜霍耳系数与膜厚有关；薄膜热电势与膜厚有关；薄膜的磁阻与磁场有关等。厚有关

6、；薄膜的磁阻与磁场有关等。三、不连续金属膜的导电性质（岛状膜）三、不连续金属膜的导电性质（岛状膜）一般指厚度为几十埃完全由孤立小岛形成的薄膜。一般指厚度为几十埃完全由孤立小岛形成的薄膜。1、性质特点、性质特点电阻率非常大。电阻率非常大。电阻率温度系数为负值电阻率温度系数为负值;在低电场时呈现欧姆性质导电，在高电场时呈现在低电场时呈现欧姆性质导电，在高电场时呈现非欧姆性质导电非欧姆性质导电;导电电子激活能较大，随膜厚的减小激活能上升导电电子激活能较大，随膜厚的减小激活能上升;电阻应变系数较大电阻应变系数较大;薄膜沉积后的经时变化大薄膜沉积后的经时变化大;因吸附各种气体，电阻率随温度有可逆和不可逆

7、因吸附各种气体，电阻率随温度有可逆和不可逆变化变化;在高电场下有电子发射和光发射现象。在高电场下有电子发射和光发射现象。电流噪音较大，大多数呈现电流噪音较大，大多数呈现1/f特性。特性。2、导电机理、导电机理 热电子发射理论和激活隧道效应理论。热电子发射理论和激活隧道效应理论。（1）热电子发射理论）热电子发射理论该理论的核心是温度上升时，金属中电子的动能增该理论的核心是温度上升时，金属中电子的动能增加。当电子垂直金属表面的速度分量增大到使该动加。当电子垂直金属表面的速度分量增大到使该动能分量大于金属的逸出功时，电子逸出金属表面发能分量大于金属的逸出功时，电子逸出金属表面发射到真空中。施加外电场

8、，则可使热发射电子定向射到真空中。施加外电场，则可使热发射电子定向流动。流动。热发射电子的电流密度热发射电子的电流密度电阻率电阻率 优点：优点：能说明这种薄膜的电导温度系数为正，电阻温度能说明这种薄膜的电导温度系数为正，电阻温度系数为负。这时系数为负。这时应为金属小岛之间的位垒。应为金属小岛之间的位垒。缺陷：缺陷：在这个理论中，未引入外加电场的影响在这个理论中，未引入外加电场的影响;未计入位垒未计入位垒与小岛尺寸及岛间距离的关系；与小岛尺寸及岛间距离的关系；算出的电流密度还远小于实际值算出的电流密度还远小于实际值(相差几个数量相差几个数量级级)，而位垒高度却又比实验值大一到二个数量级。，而位垒

9、高度却又比实验值大一到二个数量级。只能近似的应用于高温、低位垒和大距离岛间距只能近似的应用于高温、低位垒和大距离岛间距的情况。的情况。热电子发射理论的发展热电子发射理论的发展肖特基发射理论肖特基发射理论该理论的实质是在电子逸出金属小岛表面、需要克该理论的实质是在电子逸出金属小岛表面、需要克服的位垒中，引入服的位垒中，引入镜象力和外加电场镜象力和外加电场的影响，从而的影响，从而使位垒降低，得到更大的电流密度。使位垒降低，得到更大的电流密度。修正后的电阻率修正后的电阻率优点：优点：与岛状薄膜的试验结果相符，能说明不连续金属膜与岛状薄膜的试验结果相符，能说明不连续金属膜电阻率与电阻率与温度和电场温度

10、和电场的关系。的关系。缺陷：缺陷：没有给出岛状薄膜电导对没有给出岛状薄膜电导对小岛尺寸及岛间距离小岛尺寸及岛间距离的依的依从关系。从关系。（2）激活隧道效应理论）激活隧道效应理论本质是把载流子的本质是把载流子的热活化产生机理与隧道效应热活化产生机理与隧道效应相互相互结合起来。结合起来。该理论认为由于热活化的结果，电子从一个中性小该理论认为由于热活化的结果，电子从一个中性小岛移至另一个中性小岛，因而使原来中性的一些小岛移至另一个中性小岛，因而使原来中性的一些小岛带有电荷。在载电小岛与中性小岛间的电子传输岛带有电荷。在载电小岛与中性小岛间的电子传输则是一个隧道过程。因为在这个过程中，系统的能则是一

11、个隧道过程。因为在这个过程中，系统的能量没有增加。量没有增加。与热电子发射相比，隧道过程对岛间距离的变化与热电子发射相比，隧道过程对岛间距离的变化更敏感。更敏感。电阻率的表达式为电阻率的表达式为 活化隧道理论与肖特基发射理论类似，也可以说明活化隧道理论与肖特基发射理论类似，也可以说明岛状薄膜电导率与温度和外加场强的关系。岛状薄膜电导率与温度和外加场强的关系。与肖特基理论不同处：与肖特基理论不同处：该理论还能比较正确地说明电导率与小岛尺寸和岛该理论还能比较正确地说明电导率与小岛尺寸和岛间距离的关系。当小岛的线度间距离的关系。当小岛的线度a减小以后，载流子密减小以后，载流子密度增大，因而电导率增大

12、。度增大，因而电导率增大。除此以外，在岛间距离除此以外，在岛间距离d增大时，式中的指数因子增大时，式中的指数因子比指数前的系数因子影响更大，岛状薄膜的电导率比指数前的系数因子影响更大，岛状薄膜的电导率应该减小，因而更符合实际情况。应该减小，因而更符合实际情况。缺陷：缺陷：主要缺点是把活化能和隧道位垒看作是互不相关的、主要缺点是把活化能和隧道位垒看作是互不相关的、各在不同阶段起作用的。而实际上，活化能应该是各在不同阶段起作用的。而实际上，活化能应该是隧道位垒的一部分，应该包括在费米函数中。隧道位垒的一部分，应该包括在费米函数中。另一个缺点是认为电子来自中性小岛，因而不能解另一个缺点是认为电子来自

13、中性小岛，因而不能解释观察到的大电流。释观察到的大电流。除此以外，这个理论也没有考虑到载电小岛的电子除此以外，这个理论也没有考虑到载电小岛的电子补给源，因而电子必须继续热生。该理论也没有说补给源，因而电子必须继续热生。该理论也没有说明，为什么不能在中性小岛间，由隧道过程产生载明，为什么不能在中性小岛间，由隧道过程产生载流子流子?四、网状薄膜的电导四、网状薄膜的电导包括接触膜和丝状膜。包括接触膜和丝状膜。网状薄膜的电导是由金属小岛、金属接触点或者金属细丝、网状薄膜的电导是由金属小岛、金属接触点或者金属细丝、以及岛间空隙的电导所构成。以及岛间空隙的电导所构成。薄膜的电导对触点和细丝处的物理和化学变

14、化，非常敏感。薄膜的电导对触点和细丝处的物理和化学变化，非常敏感。这类变化可以由多种原因引起，例如吸附、退火和老化。这类变化可以由多种原因引起，例如吸附、退火和老化。接触膜接触膜的电导，显然受到接触点的极大限制。由于的电导，显然受到接触点的极大限制。由于岛间相互接触处的面积很小，因而两个小岛的接触岛间相互接触处的面积很小，因而两个小岛的接触电阻远大于这两个小岛本身的电阻，所以在计算接电阻远大于这两个小岛本身的电阻，所以在计算接触膜的电阻时，可以略去金属小岛的电阻。由于岛触膜的电阻时，可以略去金属小岛的电阻。由于岛间空隙或岛间介质的电阻远大于接触电阻，故相对间空隙或岛间介质的电阻远大于接触电阻，

15、故相对来说，可以认为它们是无限大的。来说，可以认为它们是无限大的。对于对于丝状薄膜丝状薄膜，由于细丝的直径远小于块材中电于，由于细丝的直径远小于块材中电于的平均自由程，所以除了电于在薄膜的两个平行面的平均自由程，所以除了电于在薄膜的两个平行面上的散射以外，还受到细丝的整个周界的严重散射。上的散射以外，还受到细丝的整个周界的严重散射。因此，丝状薄膜的电阻率远大于连续薄膜。因此，丝状薄膜的电阻率远大于连续薄膜。介质膜用途：介质膜用途：介质介质 用于各种微型容器和各种敏感电容元件用于各种微型容器和各种敏感电容元件 绝缘层绝缘层 用于各种集成电路和各种金属一氧化物一用于各种集成电路和各种金属一氧化物一

16、 半导体器件半导体器件 导体导体 用于各种隧道二极管、有超导隧道器件、用于各种隧道二极管、有超导隧道器件、金属陶瓷电阻器、热敏电阻器、开关器件金属陶瓷电阻器、热敏电阻器、开关器件 介质薄膜的介电性能虽然与块状介质有很大的相介质薄膜的介电性能虽然与块状介质有很大的相似，但是，在某些方面却有着显著的不同。似，但是，在某些方面却有着显著的不同。如：块状介质的电导率较小。如：块状介质的电导率较小。1.4.2.2 1.4.2.2 介质薄膜的电学性质介质薄膜的电学性质一、介质薄膜的绝缘性质一、介质薄膜的绝缘性质考虑电导和击穿。考虑电导和击穿。1、介质薄膜的电导、介质薄膜的电导 由于夹层结构（由于夹层结构（

17、MIM结构），只有在电极与介质的接结构），只有在电极与介质的接触是欧姆接触时，所测出的电导才是介质薄膜的电导。触是欧姆接触时，所测出的电导才是介质薄膜的电导。分类：分类：按载流子性质按载流子性质按载流子来源按载流子来源 离子型电导离子型电导电子型电导电子型电导本征电导本征电导非本征电导非本征电导来源于介质薄膜本身来源于介质薄膜本身来源于杂质及缺陷来源于杂质及缺陷 离子电导与电子电导的区分：离子电导与电子电导的区分：(1)符合下列公式的为符合下列公式的为离子电导离子电导式中，式中，是电导率，是电导率，D是扩散常数，是扩散常数，Z是离子价数，是离子价数，e是电子电荷，是电子电荷，N 是电荷为是电荷

18、为Ze的离子浓度。的离子浓度。(2)加果活化能大于加果活化能大于0.6eV，迁移率很小时，可能是，迁移率很小时，可能是离子电导，也可能是电子电导。当活化能小于离子电导，也可能是电子电导。当活化能小于0.1eV，迁移率很大时，则是电子电导。，迁移率很大时，则是电子电导。(Nernst-Einstein关系关系)介质薄膜的电导来源介质薄膜的电导来源强电场强电场作用下，介质薄膜中的电导包括有电子电导作用下，介质薄膜中的电导包括有电子电导和离子电导。和离子电导。电子电导电子电导主要来源于导带中的电子，其中包括导主要来源于导带中的电子，其中包括导带中传导电子、隧道效应引起的电导、杂质能级电带中传导电子、

19、隧道效应引起的电导、杂质能级电子电导以及介质薄膜与金属电极界面处的空间电荷。子电导以及介质薄膜与金属电极界面处的空间电荷。离子电导离子电导有外来的杂质离子和偏离化学计量比造成有外来的杂质离子和偏离化学计量比造成的离子缺陷，的离子缺陷，弱电场弱电场作用下，其电导主要来源于杂质能级电子电作用下，其电导主要来源于杂质能级电子电导和离子电导。因为这时介质薄膜导带中几乎没有导和离子电导。因为这时介质薄膜导带中几乎没有自由电子，杂质能级电子电导就占主要地位。自由电子，杂质能级电子电导就占主要地位。介质薄膜电导与场强的关系介质薄膜电导与场强的关系弱电场弱电场（106V/cm）时，非欧姆性，缺陷离子等在）时，

20、非欧姆性，缺陷离子等在外电场作用下获得较高能量，以致产生雪崩式碰撞外电场作用下获得较高能量，以致产生雪崩式碰撞电离而感生出电子电流。电离而感生出电子电流。电流密度为电流密度为 与温度的关系与温度的关系在一般电场条件下，介质薄膜的电导率，随温度升在一般电场条件下，介质薄膜的电导率，随温度升高而增加。高而增加。表明在不同温度范围内有表明在不同温度范围内有不同的激活能。不同的激活能。在高温下同种材料的曲线在高温下同种材料的曲线斜率相等，其电导称为斜率相等，其电导称为本本征电导征电导。在中、低温情况下，不同在中、低温情况下，不同温度范围的激活能不相等。温度范围的激活能不相等。它反映出不同的导电机理。它

21、反映出不同的导电机理。这种电导称为这种电导称为非本征电导非本征电导.2、介质薄膜的击穿、介质薄膜的击穿 当施加到介质薄膜上的电场强度达到某一数值时。当施加到介质薄膜上的电场强度达到某一数值时。它便立刻失去绝缘性能，这种现象称为它便立刻失去绝缘性能，这种现象称为击穿击穿。介质。介质薄膜在发生击穿时绝缘电阻很小。薄膜在发生击穿时绝缘电阻很小。分类：分类：软击穿软击穿：介质膜在击穿时并不被烧毁而是长期稳定：介质膜在击穿时并不被烧毁而是长期稳定地维持低阻状态。地维持低阻状态。硬击穿硬击穿：介质薄膜击穿后，如果电场仍持续地加在：介质薄膜击穿后，如果电场仍持续地加在介质膜上则有较大的电流通过将它烧毁。介质

22、膜上则有较大的电流通过将它烧毁。本征击穿本征击穿：外电场超过介质薄膜本身抗电强度而产：外电场超过介质薄膜本身抗电强度而产生的击穿生的击穿非本征击穿非本征击穿：因薄膜缺陷引起的击穿：因薄膜缺陷引起的击穿 对于同一种介质薄膜，因制造方法不同其击穿场强对于同一种介质薄膜，因制造方法不同其击穿场强有较大差异。原因是不同制造方法在介质薄膜产生有较大差异。原因是不同制造方法在介质薄膜产生的针孔、微裂纹、纤维丝和杂质等缺陷情况不同。的针孔、微裂纹、纤维丝和杂质等缺陷情况不同。本征击穿机理本征击穿机理电击穿电击穿和和热击穿热击穿共同作用下产生的击穿。共同作用下产生的击穿。电击穿电击穿 是介质薄膜中载流子是介质

23、薄膜中载流子(大部分为电子大部分为电子)在某在某临界电场作用下产生电子倍增过程使介质膜绝缘性临界电场作用下产生电子倍增过程使介质膜绝缘性急剧下降而形成的击穿。急剧下降而形成的击穿。理论研究认为电击穿是电子与原子碰撞、电子和理论研究认为电击穿是电子与原子碰撞、电子和离子碰撞，特别是晶格的碰撞电离形成的电子雪崩离子碰撞，特别是晶格的碰撞电离形成的电子雪崩击穿，一般都在极短的时间里发生。电子从电场中击穿，一般都在极短的时间里发生。电子从电场中得到的能量主要用于碰撞电离过程。得到的能量主要用于碰撞电离过程。当电极较厚时发生的电击穿类似于气体击穿，其击当电极较厚时发生的电击穿类似于气体击穿，其击穿场强为

24、穿场强为若碰撞电离的起始电子来源于阴极场致发射，其击若碰撞电离的起始电子来源于阴极场致发射，其击穿场强为穿场强为热击穿热击穿 在电击穿时电流雪崩式增加，产生大量焦在电击穿时电流雪崩式增加，产生大量焦耳热，介质膜温度迅速上升就转为热击穿；耳热，介质膜温度迅速上升就转为热击穿；介质膜电导随温度上升呈指数规律急剧增大，随介质膜电导随温度上升呈指数规律急剧增大，随后电流又增大，焦耳热增大，介质膜温度进一步增后电流又增大，焦耳热增大，介质膜温度进一步增高。在很短时间内由于介质膜温度过高，造成局部高。在很短时间内由于介质膜温度过高，造成局部地方产生热分解、挥发或熔化，则进一步促成热击地方产生热分解、挥发或

25、熔化，则进一步促成热击穿的产生。穿的产生。热击穿时电场强度为热击穿时电场强度为二、介质薄膜的介电性质二、介质薄膜的介电性质 主要考虑主要考虑介电常数和介质损耗介电常数和介质损耗1、介电常数、介电常数非极性性介质薄膜（非极性性介质薄膜（245），如有机聚合物、无机），如有机聚合物、无机氧化物薄膜氧化物薄膜极性介质薄膜（极性介质薄膜（33000或更大），如有机聚合物薄或更大），如有机聚合物薄膜、无机铁电薄膜膜、无机铁电薄膜介电常数介电常数本征本征 来源于薄膜本身原子的电子状态、来源于薄膜本身原子的电子状态、固有偶极矩及晶格结构等。固有偶极矩及晶格结构等。非本征非本征 来源于薄膜的不均匀性、杂质、来

26、源于薄膜的不均匀性、杂质、空位、填隙离子、应力、晶界层空位、填隙离子、应力、晶界层 上的偏析物、氧化物等。上的偏析物、氧化物等。介电常数的本征部分决定于薄膜内部的介电常数的本征部分决定于薄膜内部的各种极化机各种极化机构。构。其中起主要作用的有其中起主要作用的有电子极化电子极化、离子晶格振动极离子晶格振动极化化和和离子变形极化离子变形极化。此外，还有此外，还有缓慢式极化缓慢式极化，如偶极式极化、热离子，如偶极式极化、热离子极化和电子弛豫极化等。极化和电子弛豫极化等。由干由干极化的强弱与介质薄膜中总电荷数的多少及电极化的强弱与介质薄膜中总电荷数的多少及电荷间相互作用强弱荷间相互作用强弱有关，所以介

27、质薄膜有关，所以介质薄膜介电常数与介电常数与原子序数有关原子序数有关。介质常数的温度系数介质常数的温度系数介电常数温度系数的测量：介电常数温度系数的测量：在介质薄膜上制备欧姆接触电极，构成片状电容器。在介质薄膜上制备欧姆接触电极，构成片状电容器。在测量电容器温度系数之后再推求介电常数的温度在测量电容器温度系数之后再推求介电常数的温度系数。系数。电容器温度系数为电容器温度系数为温度变化时其平面方向可膨胀或收缩，介质薄膜在温度变化时其平面方向可膨胀或收缩，介质薄膜在厚度方向上也发生膨胀或收缩。则有厚度方向上也发生膨胀或收缩。则有若电极是沉积在介质薄膜上，电极和薄膜一起膨胀若电极是沉积在介质薄膜上，

28、电极和薄膜一起膨胀或收缩。或收缩。当薄膜的热膨胀为各向同性时，则有当薄膜的热膨胀为各向同性时，则有 只要测出只要测出d便可求得介电常数温度系数便可求得介电常数温度系数c。对于介质损耗较小的介质薄膜，由本征极化形成的对于介质损耗较小的介质薄膜，由本征极化形成的电容器温度系数，按介电常数的大小不同可分为四电容器温度系数，按介电常数的大小不同可分为四种情况种情况:真空或空气薄膜，真空或空气薄膜，各种非极性固体有机薄膜各种非极性固体有机薄膜 介质薄膜材料的离子式极化贡献和电子介质薄膜材料的离子式极化贡献和电子 式极化相近，但离子式极化对温度变化式极化相近，但离子式极化对温度变化 比较敏感。比较敏感。介

29、质薄膜的极化大多数是离子变形极化。介质薄膜的极化大多数是离子变形极化。2、介质薄膜的损耗、介质薄膜的损耗 对介质薄膜膜施加交变电场后，由于电导和极化方对介质薄膜膜施加交变电场后，由于电导和极化方面原因，必然产生能量损耗。面原因，必然产生能量损耗。这种损耗值的大小与介质薄膜本身的晶体结构和这种损耗值的大小与介质薄膜本身的晶体结构和各种缺陷有密切关系。所以介质薄膜的损耗就是表各种缺陷有密切关系。所以介质薄膜的损耗就是表征介质薄膜质量和性能的重要参数，并用损耗角征介质薄膜质量和性能的重要参数，并用损耗角的正切值的正切值tg 表示。表示。由三部分组成：由三部分组成：电导损耗电导损耗 驰豫型损耗驰豫型损

30、耗 非弛豫型损耗非弛豫型损耗 电导损耗电导损耗在直流或交流电场作用下都始终存在。直流电导损在直流或交流电场作用下都始终存在。直流电导损耗在低频下比较显著，它不随频率变化，交流电导耗在低频下比较显著，它不随频率变化，交流电导包括有一般载流子电导，小极化子和偶极子等弛豫包括有一般载流子电导，小极化子和偶极子等弛豫子在位置时间的运动。子在位置时间的运动。驰豫损耗驰豫损耗它与交变电场的频率有密切关系。高频弛豫损耗时它与交变电场的频率有密切关系。高频弛豫损耗时峰值频率在峰值频率在1 MHz以上。低叔弛豫损耗的峰值频率以上。低叔弛豫损耗的峰值频率在在100Hz以下。以下。非驰豫型损耗非驰豫型损耗对于绝大多

31、数介质薄膜在室温下都能观察到非弛豫对于绝大多数介质薄膜在室温下都能观察到非弛豫型损耗。而且在较低电场下完全为欧姆性导电时也型损耗。而且在较低电场下完全为欧姆性导电时也可观察到这种损耗。可观察到这种损耗。这种损耗的特征是这种损耗的特征是tg 几乎与频率无关。几乎与频率无关。它是介质它是介质薄膜内部不均匀性造成的，就是介质薄膜中的各种薄膜内部不均匀性造成的，就是介质薄膜中的各种微观缺陷和杂质的不均匀性导致电子、离子和原子微观缺陷和杂质的不均匀性导致电子、离子和原子等所处的微观环境不同造成的。等所处的微观环境不同造成的。三、介质薄膜的压电性质三、介质薄膜的压电性质 正压电效应：正压电效应：应力作用应

32、力作用极化电荷极化电荷压电效应压电效应 负压电效应：电场作用负压电效应：电场作用应变应变介质薄膜：介质薄膜：CdS、ZnS、AlN、ZnO、LiNbO3、PZT等等1、压电薄膜的结构、压电薄膜的结构结构上有分别带正电荷和负电荷的离子或离子团结构上有分别带正电荷和负电荷的离子或离子团（离子晶体）；（离子晶体）；晶体结构上必须没有对称中心。晶体结构上必须没有对称中心。(电荷面密度与应力成线性关系电荷面密度与应力成线性关系)(应变与电场强度成线性关系应变与电场强度成线性关系)真空沉积压电薄膜的结构都是真空沉积压电薄膜的结构都是多晶结构多晶结构，要得到良，要得到良好的压电性能，要求：好的压电性能，要求

33、：结构上首先要保证各微晶基本上有相同取向；结构上首先要保证各微晶基本上有相同取向；在微晶的原子排列上必须是立方晶结构闪锌矿和在微晶的原子排列上必须是立方晶结构闪锌矿和六六方晶结构的纤锌矿方晶结构的纤锌矿。2、压电性能参数、压电性能参数（1）机电耦合系数）机电耦合系数k反映压电薄膜的机械能与电能之间的藕合关系。反映压电薄膜的机械能与电能之间的藕合关系。（2）压电系数）压电系数d 单位应力作用下产生的极化强度，或单位电场单位应力作用下产生的极化强度，或单位电场作用下产生的应变。作用下产生的应变。单位：库仑单位：库仑/牛顿，米牛顿，米/伏伏（3）机械品质因子）机械品质因子 描述压电材料在谐振时机械能

34、损耗的数量，描述压电材料在谐振时机械能损耗的数量，Qm。（4）电学品质因数）电学品质因数 描述通过电导和极化弛豫作用损失能量的情况，描述通过电导和极化弛豫作用损失能量的情况，Qc3、ZnO薄膜和薄膜和AlN薄膜薄膜（1）ZnO薄膜薄膜 多晶结构。构成薄膜的每一个微晶粒都是纤锌矿多晶结构。构成薄膜的每一个微晶粒都是纤锌矿结构。结构。（2）AlN薄膜薄膜 六方晶纤锌矿结构。六方晶纤锌矿结构。具有微晶易于取向、声速大、禁带宽、化学稳具有微晶易于取向、声速大、禁带宽、化学稳定性好的优点。定性好的优点。四、介质薄膜的热释电性质四、介质薄膜的热释电性质热释电定义一：热释电定义一：具有自发极化的晶体被加热时

35、其表面上出现电荷的具有自发极化的晶体被加热时其表面上出现电荷的现象；现象；定义二：定义二：极性晶体因温度变化而引起自发极化强度发生变化极性晶体因温度变化而引起自发极化强度发生变化的现象。的现象。电卡效应：电卡效应：当给热释电体施加外电场时，电场的改当给热释电体施加外电场时，电场的改变会引起晶体温度的变化。变会引起晶体温度的变化。热释电晶体结构要求：热释电晶体结构要求：结构上无对称中心；具有自发极化。结构上无对称中心；具有自发极化。只有当晶体中存在与其它极轴都不相同的单一极只有当晶体中存在与其它极轴都不相同的单一极化轴时，才呈现热释电性。化轴时，才呈现热释电性。1、基本参数、基本参数产生的电压：

36、产生的电压：产生的电流：产生的电流：2、热释电薄膜、热释电薄膜 PbTiO3 薄膜薄膜 制备方法：制备方法：化学气相沉积方法、电子束蒸发法、射频溅射法化学气相沉积方法、电子束蒸发法、射频溅射法和射频磁控溅射法。和射频磁控溅射法。射频溅射射频溅射PbTiOa薄膜晶体结构和性能薄膜晶体结构和性能与基体温度与基体温度有密切关系有密切关系。五、介质薄膜的铁电性质五、介质薄膜的铁电性质铁电性：铁电性：晶体在一定温度范围内具有自发极化，并晶体在一定温度范围内具有自发极化，并且这种自发极化方向可以随外加电场方向变化而变且这种自发极化方向可以随外加电场方向变化而变化。化。1、特点（、特点（3点）点）具有电滞回

37、线，它是判定晶体为铁电体的重要依具有电滞回线，它是判定晶体为铁电体的重要依 据；据；存在一个临界温度即铁电居里温度，它是晶体顺存在一个临界温度即铁电居里温度，它是晶体顺电相与铁电相的转变温度；电相与铁电相的转变温度；铁电晶体具有临界特性，它的介电性质、弹性性铁电晶体具有临界特性，它的介电性质、弹性性质、热学性质和光学性质等在临界温度附近出现反质、热学性质和光学性质等在临界温度附近出现反常现象。常现象。介电、压电和热释电性质介电、压电和热释电性质2、铁电薄膜的性质、铁电薄膜的性质与块状材料工艺相比较，铁电薄膜都是在低温下制备的。与块状材料工艺相比较，铁电薄膜都是在低温下制备的。需解决的问题：需解决的问题：（1）化学组分偏离）化学组分偏离（2）基体温度影响）基体温度影响 温度过高使低熔点物质挥发或造成缺氧。温度过低又温度过高使低熔点物质挥发或造成缺氧。温度过低又影响薄膜的结晶性。影响薄膜的结晶性。（3）均匀性）均匀性（4）尺寸效应）尺寸效应 铁电薄膜厚度铁电薄膜厚度d和晶粒尺寸和晶粒尺寸D的大小有一临界值，大的大小有一临界值，大约为约为200未通电导体中无规则运动的电子外加电源形成回路后的导体外加磁场后导电回路中的电子运动建立平衡后的导体回路量子霍尔效应示意图拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应