BZT-BCT壓電材料電學(xué)與微-納米力學(xué)性能的研究.pdf

1、Ba(Ti0.8Zr0.2) O3-(Ba0.7Ca0.3)TiO3（簡稱BZT-BCT）壓電陶瓷，當(dāng)成分為0.5BZT-0.5BCT時(shí)，表現(xiàn)出可與鋯鈦酸鉛(Pb(Zr1-xTix)O3，PZT)相媲美的壓電系數(shù)，d33-560-620pC/N，這是近50年來無鉛壓電領(lǐng)域的重要進(jìn)展。壓電薄膜器件在實(shí)際應(yīng)用時(shí)既要在電學(xué)性能上滿足功能性要求，又要在力學(xué)性能上達(dá)到相應(yīng)的安全性要求。因此本文主要從電學(xué)性能及其溫度穩(wěn)定性、力學(xué)性能等方面研究BZT

2、-BCT體系，以便探尋BZT-BCT在器件中的應(yīng)用潛力。
　　采用溶膠-凝膠(Sol-Gel)薄膜沉積工藝在Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)襯底上制備0.5BZT-0.5BCT薄膜。探討了溶劑、添加劑、退火溫度等工藝參數(shù)對0.5BZT-0.5BCT薄膜微觀結(jié)構(gòu)形貌和電學(xué)性能的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)選取乙二醇甲醚為溶劑制備的壓電薄膜微觀結(jié)構(gòu)形貌較好;在此基礎(chǔ)上，通過加入添加劑乙二醇或者聚乙二醇400可進(jìn)一步改善薄膜的微觀結(jié)構(gòu)形

3、貌。其中，以乙二醇甲醚為溶劑、聚乙二醇400為添加劑制備得到的薄膜介電常數(shù)ε可以達(dá)到1756，剩余極化強(qiáng)度Pr、矯頑場Ec分別為17.2μC/cm2，39.0kV/cm。分別選取650℃，700℃，750℃，800℃對薄膜進(jìn)行退火熱處理，進(jìn)一步探討退火溫度對0.5BZT-0.5BCT薄膜壓電性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著退火溫度的提高，0.5BZT-0.5BCT薄膜結(jié)晶性增強(qiáng)，晶粒尺寸增加并且表面粗糙度降低，壓電性能明顯提高，其中，80

4、0℃退火得到的0.5BZT-0.5BCT薄膜d33可以達(dá)到85pm/V。
　　設(shè)計(jì)成分梯度薄膜研究BZT-BCT薄膜電學(xué)性能的溫度穩(wěn)定性，在Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)襯底上依次沉積x=0.3，0.4，0.5，0.6，0.7等(1-x)BZT-xBCT薄膜。根據(jù)沉積順序不同，其中，沿薄膜表面到襯底x逐漸遞增的薄膜稱之為up-graded，反之，稱為down-graded。X射線衍射(XRD)分析表明梯度薄膜已經(jīng)偏

5、離MPB，兩種梯度薄膜表現(xiàn)出良好的溫度穩(wěn)定性，在-25～140℃溫域內(nèi)ε只下降了8％(up-graded)，12％(down-graded); Dielectric Constant-Voltage測試發(fā)現(xiàn)，在-25～90℃范圍內(nèi)薄膜介電可調(diào)諧性分別達(dá)到37％(up-graded)，32％(down-graded)且基本恒定;同樣地，(1-x)BZT-xBCT梯度膜在180℃的高溫下壓電常數(shù)d33仍可以達(dá)到21pm/V，也表現(xiàn)出良好的溫

6、度穩(wěn)定性。結(jié)合透射電鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）、能譜儀（Energy Disperse Spectroscopy，EDS）對梯度膜的微觀形貌和元素分析，初步確定梯度薄膜電學(xué)性能具有優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性與晶格畸變形成應(yīng)變梯度有關(guān)。
　　利用納米壓痕儀(Nano-indentation)和原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）分別對BZT-BCT薄膜的納米