非外延集成应变调节的多晶BiFeO3薄膜在基于硅的光电器件中的应用

《Optical Materials》：Non-Epitaxial Integration of Strain-Tuned Polycrystalline BiFeO 3 Thin Films for Silicon-Based Optoelectronics

调控氧分压对BiFeO3/Ti/Si异质结薄膜结构、缺陷化学及光学性能的影响研究。通过脉冲激光沉积制备两种氧分压条件下的薄膜，发现低氧分压下薄膜晶格应变松弛，晶粒更细小且氧缺陷较少，直接和间接带隙分别为2.61和2.25 eV；而高氧分压下应变增强，晶粒粗糙且氧缺陷增多，带隙略微扩大至2.68和2.32 eV。氧分压与应变状态、氧空位浓度协同调控Fe-O键长和杂化，为硅基集成铁电光学器件提供新思路。

　　

Saleh H. Fawaeer | Wala’ M. Al-Qaisi | Vlasta Sedláková | Marwan S. Mousa | Alexander Knápek | Dinara Sobola

中欧技术学院，布尔诺技术大学，Purkyňova 123，布尔诺 612 00，捷克共和国

摘要

将薄铋铁氧体薄膜与基于硅的平台集成是为先进光电器件提供的一条有前景的途径。本研究探讨了脉冲激光沉积过程中氧气分压如何控制生长在Ti缓冲层上的Si上的BiFeO₃薄膜的结构、微观结构、缺陷化学性质和光学性能。衍射和显微镜观察证实了薄膜为单相菱形钙钛矿结构，并表明氧气背景调节了晶格应变状态和空位分布。低压力下的薄膜表现出部分松弛的应变、更细的晶粒和较低的空位比例，而中等压力下的薄膜则显示出更强的拉伸晶格应变、更粗糙的晶粒和更高的空位水平。通过包含埋藏的Ti和TiO_x中间层的多层模型分析的光谱椭圆偏振法结果表明，这两种薄膜在介电色散和吸收边缘上存在明显差异。低压力薄膜的直接带隙和间接带隙分别为约2.61 eV和2.25 eV，而中等压力薄膜的相应值略高，分别为约2.68 eV和2.32 eV。这些变化与应变和氧相关无序的耦合效应有关，这些效应会调节Fe–O键长和杂化作用。总体而言，研究结果表明，压力控制的应变和缺陷工程可以定制Si集成BiFeO₃薄膜中的光与物质相互作用，以适应光子学和光电器件的应用。

引言

将多铁性材料集成到与硅兼容的平台上是开发下一代纳米电子和光电子技术的核心目标。在这些材料中，铋铁氧体（BiFeO₃，简称BFO）由于其在室温下同时具有铁电性和反铁磁性，以及其有前景的光伏和磁电耦合效应而备受关注[1]、[2]、[3]、[4]。然而，大多数研究都集中在生长在晶格匹配的氧化物基底上的外延BFO薄膜上，这类基底成本高昂、难以大规模生产，并且与标准硅加工工艺不直接兼容[5]、[6]、[7]。

为了提高与硅的兼容性，最近的研究探索了使用金属氧化物或金属缓冲层进行可扩展集成的策略[8]、[9]、[10]、[11]。金属钛（Ti）作为一种有前途的缓冲层，因其具有优异的特性而受到关注，包括与硅的强粘附性、低成本以及作为扩散屏障的有效性[12]。暴露在空气中时，Ti会部分氧化形成一层薄的TiO_x，在高温度处理下这层TiO_x会进一步增厚并发展成TiO_x/Ti堆栈[13]、[14]。这种埋藏的中间层会影响生长过程中的成核、应变传递、缺陷化学和晶格适应，并能调节上层薄膜的电子结构和光与物质相互作用[15]、[16]。然而，将TiO_x/Ti界面与BFO薄膜的光学功能联系起来的系统研究仍然有限，特别是在带边调谐和亚带隙吸收方面。

氧气分压（P_O2）是控制BFO薄膜生长动力学和缺陷形态的关键参数。较低的P_O2可以增加原子团的平均自由路径，从而提高原子团的移动性和改善薄膜的纹理，同时抑制氧空位的形成。相反，较高的P_O2倾向于促进空位的产生，并可能促进铋的富集和Bi氧化物表面相的形成[17]。这些与氧相关的缺陷会改变介电函数并移动光学吸收边缘，尤其是在多晶薄膜中，其中空位充当载流子陷阱。减少空位浓度可以通过最小化局域态和带尾效应来改善光学响应[18]、[19]。结合TiO_x/Ti界面处的应变和电子耦合，P_O2因此成为调节金属缓冲BFO异质结构光学行为的强大工具；这一方向在非外延系统中尚未得到充分探索。

光谱椭圆偏振法（SE）是一种强大的非破坏性技术，可以高精度地探测薄膜的光学响应。通过分析反射光在多个入射角度下的偏振变化，SE能够准确确定薄膜厚度、粗糙度和复杂的介电函数[11]、[20]。该方法已广泛应用于外延BFO系统[21]、[22]、[23]，其中报道的光学带隙通常在约2.20到3.00 eV之间。这些变化通常归因于应变效应、氧相关缺陷和界面诱导现象的综合作用[10]、[24]、[25]、[26]。

本研究考察了在913 K基底温度下，在两种不同的P_O2条件（0.013 mbar和0.052 mbar）下沉积的两个结构纯的BFO/Ti/Si异质结构的光学响应。目的是探讨沉积压力与TiO_x/Ti堆栈的界面耦合如何控制多晶BFO薄膜的介电色散和带边行为。采用了一系列表征技术，包括X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、原子力显微镜（AFM）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和SE，将应变状态和氧相关缺陷与提取的光学常数相关联。研究结果提出了一种可扩展的策略，用于调节Si集成金属缓冲BFO薄膜中的光与物质相互作用，对光子学和光电器件平台具有重要意义。

章节片段

BFO/Ti/Si薄膜的制备

多晶BFO薄膜是使用TSST脉冲激光沉积（PLD）系统在Ti缓冲（100）取向的Si基底上沉积的。使用了含有15%过量铋的Bi₁.₁₅FeO₃靶材来补偿生长过程中的铋挥发。Si基底首先经过溶剂清洗，然后在室温下使用直流（DC）磁控溅射（BESTEC）系统涂覆Ti缓冲层。溅射在1 × 10^-3 mbar的氩气（Ar）工作压力下进行

结构和形态学性质

图1展示了在固定基底温度T_S为913 K、两种不同的P_O2条件下生长的BFO/Ti/Si薄膜的XRD图谱。BFO-1（0.013 mbar）和BFO-2（0.052 mbar）样品显示出尖锐的布拉格反射，对应于具有菱形钙钛矿结构的多晶BiFeO₃，其空间群索引为R $$，根据ICDD No. 01-071-2494 [27]、[28]。约22.5°处的（012)_R反射和31–32°附近的双峰反射归属于（104)_R/(110)_R，证实了FeO₆八面体的倾斜特征

结论

在PLD过程中控制P_O2可以很好地调控Ti缓冲Si上多晶BiFeO₃的结构、微观结构、缺陷化学性质和光学响应。低和中等P_O2条件下的生长都保持了菱形钙钛矿相，但在应变状态和空位分布上有所不同。低P_O2条件下，薄膜的应变部分松弛，晶粒相对更细/更密集，O缺陷比例较低，导致更尖锐的介电共振和更窄的带隙（约2.61 eV）。高P_O2

CRediT作者贡献声明

Saleh H. Fawaeer：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，方法论，研究，形式分析，数据管理，概念化。Dinara Sobola：可视化，验证，监督，资源管理，项目管理，方法论，资金获取，数据管理，概念化。Vlasta Sedláková；可视化，验证，监督，数据管理。Wala' M. Al-Qaisi：可视化，验证，数据管理，撰写 – 原始草稿。Alexandr

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢捷克纳米实验室（CzechNanoLab）项目LM2023051提供的财政支持，用于CEITEC纳米研究基础设施的测量/样品制备。同时感谢捷克科学院（RVO:68081731）的支持。