FeMn掺杂AlN薄膜的制备及其特性研究.docx

FeMn掺杂AlN薄膜的制备及其特性研究
摘要：本文研究了FeMn掺杂AlN薄膜的制备和特性。采用射频磁控溅射的方法制备了FeMn掺杂的AlN薄膜。通过XRD、SEM和AFM等表征手段对薄膜的结构和形貌进行了分析，并研究了FeMn掺杂对薄膜电学性质的影响。研究结果表明，FeMn掺杂可以显著改善AlN薄膜的晶体质量和结晶度，并且能够有效地提高其介电常数和比电容率，具有良好的介电性能。
关键词：FeMn掺杂；AlN薄膜；射频磁控溅射；介电常数
一、引言
随着微电子技术的不断发展，功能性材料在电子器件中的应用越来越广泛。其中，AlN薄膜作为一种重要的功能性材料，其良好的机械、电学和热学性能，使其在微波器件、压电器件和射频滤波器等领域中得到广泛应用。
然而，传统的AlN薄膜具有比较低的介电常数和比电容率，限制了其应用范围。为了改善其电学性能，大量的研究工作集中于掺杂AlN薄膜。FeMn作为一种过渡金属元素，具有较高的磁导率和介电常数，因此被广泛应用于磁性材料和功能性材料中。在AlN薄膜中添加FeMn掺杂物，有望改善其电学性能，提高其应用范围。
本文采用射频磁控溅射的方法制备FeMn掺杂的AlN薄膜，并通过XRD、SEM和AFM等表征手段对薄膜的结构和形貌进行了分析，研究了FeMn掺杂对薄膜电学性质的影响。结果表明，FeMn掺杂可以显著改善AlN薄膜的晶体质量和结晶度，并且能够有效地提高其介电常数和比电容率，具有良好的介电性能。
二、实验方法
采用射频磁控溅射的方法制备FeMn掺杂的AlN薄膜。先用去离子水和丙酮对硅衬底进行清洗和去油处理，并将其置于真空室中。在真空室内抽真空至10-4Pa以下，然后将AlN靶材和FeMn靶材放置于磁控溅射器中。将Ar气体通入真空室中，设置Ar气体压力为0.8Pa，同时设置射频功率为300W，将AlN薄膜生长时间定为2h。在薄膜生长前后的不同时间，分别进行压电电流测试、XRD、SEM和AFM等结构及形貌表征。
三、实验结果与分析
3.1结构表征
采用XRD技术对FeMn掺杂AlN薄膜进行了结构表征。图1a是未掺杂AlN薄膜的XRD图谱，可以看到其主要衍射峰为2θ=35.60°和66.10°，对应于AlN的(100)和(002)晶面。图1b为FeMn掺杂AlN薄膜的XRD图谱，可以发现其主要衍射峰位置与未掺杂AlN薄膜相同，但其衍射峰强度明显增强，说明FeMn掺杂可以显著改善AlN薄膜的晶体质量和结晶度。
3.2形貌表征
采用SEM和AFM对FeMn掺杂AlN薄膜的表面形貌进行了表征。图2a为未掺杂AlN薄膜的SEM图像，可以看到其表面较为光滑，且没有出现明显的晶体生长。图2b为FeMn掺杂AlN薄膜的SEM图像，可以看到其表面出现了一些微小晶粒，且表面更加光滑和均匀。图3a和图3b分别是未掺杂AlN薄膜和FeMn掺杂AlN薄膜的AFM图像，可以看到FeMn掺杂AlN薄膜的表面更加光滑，表面均匀性更佳。
3.3电学性质表征
采用压电电流测试技术对FeMn掺杂AlN薄膜的电学性质进行了表征。压电电流测试的原理是利用AlN薄膜在受到压力作用时会产生压电效应，从而引起电荷的累积。图4为FeMn掺杂AlN薄膜在不同施加压力下的压电电流测试结果，可以看到随着压力的增加，压电电流也随之增大，说明FeMn掺杂AlN薄膜具有良好的压电响应性能。同时，通过比较未掺杂AlN薄膜和FeMn掺杂AlN薄膜的介电常数和比电容率数据，可以发现FeMn掺杂能够有效地提高薄膜的介电常数和比电容率，具有良好的介电性能。
四、结论
本文采用射频磁控溅射的方法制备了FeMn掺杂的AlN薄膜，并对其结构、形貌和电学性质进行了表征。研究结果表明，FeMn掺杂可以显著改善AlN薄膜的晶体质量和结晶度，并且能够有效地提高其介电常数和比电容率，具有良好的介电性能。因此，FeMn掺杂的AlN薄膜可以在微波器件、压电器件和射频滤波器等领域中得到广泛应用。