準(zhǔn)同型相界附近鋯鈦酸鉛和鋯鈦酸鑭鉛薄膜相組成及性能.pdf

1、鐵電薄膜具有豐富的物理效應(yīng)，可以滿足許多領(lǐng)域?qū)δ芴沾杀∧さ奶匦砸?，是制備熱釋電紅外探測(cè)器、微型壓電驅(qū)動(dòng)器、鐵電存儲(chǔ)器、鐵電聲納換能器等器件的理想材料。鋯鈦酸鉛(簡(jiǎn)稱PZT)是目前最典型并且最廣泛研究的一類鐵電薄膜。PZT體系被深入研究的主要原因在于它在準(zhǔn)同型相界(簡(jiǎn)稱MPB)附近具有優(yōu)異的介電和壓電性能。近十年來(lái)，很多研究者開展了圍繞PZT在MPB附近的相結(jié)構(gòu)及巨壓電效應(yīng)本質(zhì)問題的研究。然而，鐵電薄膜由于尺寸效應(yīng)、殘余應(yīng)力效應(yīng)而表現(xiàn)

2、出區(qū)別于塊體陶瓷的結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能。針對(duì)PZT薄膜在MPB附近相組成等問題遠(yuǎn)未研究深刻這一關(guān)鍵問題，本論文使用高分辨X射線衍射儀、掃描電鏡、拉曼光譜等系統(tǒng)深入地研究了PZT基薄膜的相組成和電學(xué)性能。
　　采用溶膠-凝膠方法實(shí)現(xiàn)了均勻、穩(wěn)定溶膠的合成并且對(duì)熱處理過程進(jìn)行工藝優(yōu)化，最終在Pt/Ti/SiO2/Si襯底上制備了具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、均勻致密的PZT基薄膜?？棙?gòu)結(jié)果表明了Zr/Ti配比、熱分解溫度及鑭(簡(jiǎn)稱La)元素?fù)诫s因素是控制

3、薄膜織構(gòu)類型的有效方法。
　　系統(tǒng)研究了PZT薄膜在不同Zr/Ti配比時(shí)的相組成。結(jié)果表明PZT薄膜在MPB附近的相組成為單斜相與四方相共存，并且以單斜相為主；PZT(50/50)薄膜的相組成仍為單斜-四方相共存，但以四方相為主；PZT薄膜在菱方相區(qū)的相組成則隨Zr/Ti配比而不同。具體來(lái)說(shuō)，薄膜的相組成在60/40時(shí)是菱方相而在55/45和54/46時(shí)為單斜相。整體上，PZT薄膜的相組成隨著Zr/Ti配比的降低或Ti含量的增加呈

4、現(xiàn)出菱方-單斜-四方相的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)。
　　深入研究了在Zr/Ti配比固定的情況下，厚度對(duì)PZT薄膜殘余應(yīng)力及相組成的影響。殘余應(yīng)力的測(cè)量結(jié)果表明了薄膜的應(yīng)力狀態(tài)為拉應(yīng)力并且隨著厚度的增加，拉應(yīng)力的值逐漸降低。和PZT(50/50)塊體陶瓷相比，薄膜的相組成是單斜-四方共存相而不是純四方相。隨著厚度的增加，相組成傾向于以四方相為主。這些研究結(jié)果暗示了較大的殘余拉應(yīng)力使得薄膜傾向于具有與塊體陶瓷不一致的相組成。
　　研究了La元素

5、摻雜含量對(duì)PZT薄膜相組成及織構(gòu)的影響。PLZT(50/50)薄膜相組成的結(jié)果表明La摻雜起到了穩(wěn)定四方相的作用，認(rèn)為主要原因與La摻雜引起的晶格畸變因素有關(guān)。PLZT(60/40)薄膜相組成的研究結(jié)果表明了隨著La摻雜含量的增加，薄膜相組成逐漸從菱方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?，相組成轉(zhuǎn)變的臨界摻雜含量值在5.0at.％附近。同時(shí)，PLZT(4/60/40)薄膜相組成的結(jié)果還暗示了隨著厚度的增加，薄膜呈現(xiàn)出從單斜相到菱方相的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)。
　　電

6、學(xué)性能結(jié)果表明了相組成、La摻雜及殘余應(yīng)力因素對(duì)PZT基織構(gòu)薄膜的電學(xué)性能有較大的影響。PZT薄膜在不同Zr/Ti配比的鐵電性能結(jié)果表明了鐵電性能與織構(gòu)和相組成的共同貢獻(xiàn)有關(guān)，也即較高的(111)織構(gòu)和單斜相組成有利于增強(qiáng)薄膜的鐵電性能(55/45和54/46情況)。La的引入能有效降低PZT薄膜的漏電流密度及提高介電性能，這主要?dú)w因于氧空位密度的有效降低及疇壁翻轉(zhuǎn)能力的提高。La的引入對(duì)PZT薄膜的鐵電性能的影響較為復(fù)雜，結(jié)果表明鐵電