稀土元素Er掺杂 AlN 的压电性能

　　AlN 薄膜的压电常数（ d 33 ＝5. 5 pC／N）比传统压 电材料 PZT（ 60～310 pC／N）小，因此，许多研究者致 力于通过掺杂来提高 AlN 的压电性能。目前，已有 研究表明，稀土元素 Sc 的掺杂能有效提高 AlN 薄膜 的压电响应能力。M. Akiyama 等率先使用 AlSc 双 靶材共溅射法制备了掺钪氮化铝薄膜（ Sc x Al1－ x N）， 研究发现，当掺杂 Sc 的摩尔分数为 43％时，薄膜的 d 33 ＝27．6 pC／N，与纯 AlN 薄膜相比，其 d 33 提高了 400％。利用__性原理方法从理论 上计算得出 Sc x Al1－ x N 的 d 33 随掺杂含量的增加而增 大，当 Sc 的原子数比 x ＝50％时，与 纯 AlN 相 比， Sc x Al1－ x N 的 d 33 约增长了 400％。

　　Er 元素与 Sc 元素同属于稀土元素，具有相似 的电子结构。从对 Sc 掺杂 AlN 的改性机理研究中 发现， Er 元素比 Sc 元素具有更大的优势。Er 的原 子半径比 Sc 大， Er 掺杂 AlN 体系的晶体结构产生的畸变也较大； Er 的电负性比 Sc 小，掺杂后 Er—N 形成离子键的可能性比 Sc—N 高，故选择 Er 掺杂 AlN 来改善其压电性能是可行性的。

　　通过__性原理计算和实验验证，计算得到当 Er 原子数比 x ＝25％时， Er x Al1－ x N 体系的 d 33 ＝ 8 ．67 pC／N，比纯 AlN 提高了 79. 5％。经实验测 试， x ＝5％时， Er x Al1－ x N 薄膜 d 33 ＝6. 64 pC／N，与 理论计算 x ＝6. 25％时的 Er x Al1－ x N 的 d 33 ＝5. 96 pC／N 接近， Er x Al1－ x N 的 d 33 随掺杂 x 增加而增 大。计算结果表明，在未来 AlN 薄膜应用声表面波 器件领域，可通过稀土元素 Er 的掺杂来提高 AlN 薄膜材料的压电性能。理论研究 Er x Al1－ x N 体系 的晶体结构可解释 Er x Al1－ x N 掺杂改性的机理，主 要是由于掺杂元素 Er 的离子半径比 Al 的离子半 径大，使 Er x Al1－ x N 的晶体结构畸变造成弹性常数 发生显著柔化，从而提高 AlN 的压电性能；此外， Al 与 Er 的电负性差异较大，使掺杂后的 Er x Al1－ x N 在成键时，存在部分的 Er—N 离子键和 Al—N 共 价键的混合状态，进一步增强了 AlN 的压电性。能。