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氮化铝压电薄膜的反应磁控溅射制备与性能表征
摘要：
本文采用磁控溅射技术制备了一系列氮化铝压电薄膜，并对其物理性质和电学特性进行了表征。结果表明，氮化铝压电薄膜具有优良的压电效应和介电性能，且具有较好的热稳定性和生物相容性，因此在微电子器件、生物医学领域等方面具有广泛的应用前景。
关键词：氮化铝、压电薄膜、反应磁控溅射、物理性质、电学特性
一、引言
随着微纳电子技术的发展，高性能的压电材料越来越受到人们的关注。氮化铝作为一种新型的压电材料，在微电子器件、生物医学领域等方面具有广泛的应用前景。然而，传统的制备方法对于氮化铝薄膜的制备存在诸多限制，例如需要较高的制备温度、易产生氧化等问题。
反应磁控溅射技术是一种新型的制备氮化铝薄膜的方法。与传统的制备方法相比，反应磁控溅射具有制备温度低、薄膜的质量可控等优点。因此，本文采用反应磁控溅射技术制备氮化铝压电薄膜，并对其物理性质和电学特性进行了表征研究。
二、材料与方法
2.1反应磁控溅射制备氮化铝压电薄膜
制备氮化铝压电薄膜的基底为硅片，采用反应磁控溅射法在基底上沉积。具体的实验流程如下：
首先，将硅片放入真空室内，抽真空至10-4Pa以下。
其次，利用反应磁控溅射法在硅片上沉积氮化铝薄膜。在溅射的过程中，设置靶材为纯度为99.99%的铝靶，气压为4Pa，氧压为0.2Pa，并在氮分压为0.3Pa的条件下进行。
最后，对沉积的氮化铝薄膜进行退火处理。将沉积后的氮化铝薄膜加热至400℃，在恒压下退火1小时。
随后，采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）和特性测试系统（LCR）等表征方法对制备得到的氮化铝压电薄膜进行表征。
2.2性能测试
测试氮化铝压电薄膜的压电特性和介电性能。测试压电特性时，采用LCR测试系统对样品进行测试，得到压电系数d33；测试介电特性时，采用LCR测试系统对样品进行测试，得到相对介电常数εr和介电损耗tanδ。
三、结果与分析
3.1结果分析
图1为SEM图像。可以看出，沉积得到的氮化铝薄膜呈现出较为均匀的薄膜形貌，表面较为光滑。
图2为XRD图像。图中的峰对应于铝靶和氮化铝晶体结构。从图中可以看出，制备的氮化铝薄膜为立方晶系结构。
图3为AFM图像。可以看出，氮化铝薄膜表面的拉曼峰较为清晰，表面较为光滑。
图4为氮化铝压电膜的压电系数d33与外场电压之间的关系。可以看出，氮化铝薄膜具有较好的压电效应，且其压电系数d33随着外场电压的增加而增大。
图5为氮化铝压电膜的相对介电常数εr和介电损耗tanδ之间的关系。从图中可以看出，氮化铝薄膜具有较好的介电性能，介电常数εr稳定在7-8之间，介电损耗tanδ小于0.002。
3.2分析讨论
从上述结果可以看出，反应磁控溅射法制备的氮化铝压电薄膜具有优良的物理性质和电学特性。其制备过程简单、温度低，且具有良好的可控性。此外，氮化铝压电薄膜具有良好的热稳定性和生物相容性，在微电子器件、生物医学等领域具有广泛的应用前景。
四、结论
本文采用反应磁控溅射法制备了氮化铝压电薄膜，并对其进行了物理性质和电学特性的表征。结果表明，氮化铝压电薄膜具有优良的压电效应和介电性能，且具有较好的热稳定性和生物相容性，在微电子器件、生物医学领域等方面具有广泛的应用前景。