PT誘導層上(100)取向PST薄膜的制備及其高介電可調性研究.pdf

1、介電可調材料的介電常數能夠由外加直流電場控制，適用于新型移相器，其介電可調性即直流電場下材料介電常數的變化百分比，直接決定了移相器的移相度大小。本論文以提高薄膜的介電可調性能為目的，研究了鈦酸鉛(PT)薄膜的取向生長，并以取向PT為誘導層制備取向鈦酸鍶鉛(PST)薄膜，研究其介電可調性能。實驗采用溶膠凝膠(sol-gel)法在ITO玻璃基板上制備PT和PST薄膜材料，用X射線衍射(XRD)分析PT和PST的擇優(yōu)取向特性，用掃描電子顯微鏡

2、(SEM)觀測PT和PST的形貌，用鐵電分析儀(TF1000)和阻抗分析儀(Agilent4294A)等分析了PST的鐵電性能和介電性能。具體內容及研究結論如下：
　　 1.ITO基板上PST薄膜的制備、結構、介電可調性能、鐵電性能研究。
　　 用溶膠凝膠法在ITO玻璃上制備(Pb0.4Sr0.6)(ZnxTi1-x)O3-x薄膜(PST40)，Zn離子的尺寸比Ti離子略大，Zn摻雜進入PST鈣鈦礦結構Ti的位置，同時產

3、生氧空位，使得PST的晶格常數發(fā)生規(guī)律性變化。Zn摻雜PST中取代缺陷和氧空位缺陷形成缺陷偶極子，受到缺陷偶極子的束縛作用，鐵電性急劇下降。同時Zn摻雜通過降低PST體系的c/a比例即降低四方相進一步弱化了其鐵電性。PST的室溫鐵電性受Pb含量制約，Pb含量越高，鈣鈦礦PST的四方性越強，自發(fā)極化越強，鐵電性越明顯。有鐵電性的PST薄膜其介電常數～電壓曲線與電壓變化過程有關，對直流偏壓有一定的滯后，表現為蝴蝶曲線。熱處理工藝影響PST薄

4、膜的介電可調性及介電損耗。550℃熱處理的PST薄膜沒有介電可調性；600℃熱處理，延長保溫時間和冷卻時間，PST薄膜的介電可調性提高，同時介電損耗值降低。熱處理過程的氧氣含量對PST薄膜的介電損耗有很大的影響，氧氣含量充足條件下，介電損耗值小于0.1，滿足材料實際應用的要求。600℃通氧氣保溫1 h隨爐冷卻條件制備的PST薄膜其介電可調性為40％，介電損耗值為0.06。
　　 2.ITO基板上取向PT誘導層的制備及其擇優(yōu)取向生

5、長機理研究用快速熱處理的方法，在ITO玻璃基板上成功制備了(001)(100)取向的鈣鈦礦相鈦酸鉛(PT)薄膜。不同雜質離子、溶膠濃度、燒結時間、熱處理氣氛影響PT薄膜的取向特性。PT薄膜良好取向的必要條件：1，摻雜Zn2+，Fe3+，Co2+離子；2，較低的溶膠濃度(0.1 mol/L)；3，較短的燒結時間(5 min)；4，缺氧的熱處理氣氛。取向程度較高的鈦酸鉛薄膜一般同時具有良好的結晶性能。
　　 用改變摻雜離子類型、熱處

6、理氣氛、基板類型、阻擋層的方法研究ITO基板上PT薄膜取向生長的機理。當摻雜離子的化合價低于Ti離子且熱處理氣氛為還原氣氛時，ITO基板上的PT薄膜取向生長；在二氧化鈦和普通玻璃基板上皆不能實現PT薄膜的擇優(yōu)取向；厚度為45 nm的二氧化鈦阻擋層也不能阻擋PT的擇優(yōu)取向。據此建立了鈦酸鉛薄膜擇優(yōu)取向的生長模型：摻雜以及缺氧氣氛使鈦酸鉛晶格中產生缺陷偶極子，在ITO的強表面靜電場的吸引作用下，帶有缺陷偶極子的PT晶胞按照<001>/<10

7、0>方向有序排列析晶。
　　 3.PT誘導取向PST薄膜的制備及其介電可調性研究在(001)/(100)鈦酸鉛誘導層上用溶膠凝膠法制備(100)取向的PST薄膜，PST薄膜的取向特性由PT誘導層決定。PT誘導層具有相對PST較大的晶格參數，在其上生長的PST晶胞受到PT晶格的拉伸作用，PST薄膜的長軸方向即自發(fā)偶極矩平行于薄膜平面。取向PST薄膜相對具有較高的介電常數和介電可調性。隨機取向PST薄膜的介電常數約為(100)取向P

8、ST薄膜介電常數的0.78倍。在80×106V/m的電場下，(100)取向PST薄膜的介電可調性都在60％以上，其中PST45的最大介電可調性為73％。
　　 自發(fā)偶極子在交流電場下的振動是鐵電體交流介電常數的主體，其方位角對介電常數起決定性作用。外加電場垂直于自發(fā)偶極子時，材料的介電常數取極大值。根據自發(fā)偶極子方位角模型，計算得到隨機取向系統(tǒng)的介電常數與擇優(yōu)取向介電常數的比值為0.785，與實驗值非常一致。自發(fā)偶極子在直流外電

9、場下朝著平行于直流電場方向轉動，介電常數單調遞減。根據自發(fā)偶極子方位角模型，分別討論了連續(xù)轉動和不連續(xù)轉動兩種條件下的介電可調性理論值。當電場方向垂直于自發(fā)偶極子方向時，材料才可能具有較大的介電可調性。自發(fā)偶極子在電場下轉動過程是一種激活過程，需要克服勢壘。四方性微弱時自發(fā)偶極矩子較小，激活能Ea也較小。當四方性增加時，自發(fā)偶極矩大使轉動不容易發(fā)生，激活能增大。高可調性需要同時滿足兩個條件：1，材料中存在自發(fā)偶極子；2，自發(fā)偶極子能轉動

10、。由此高可調材料總是設計在相變臨界點附近。
　　 4.應力對介電可調性的影響研究研究了PT誘導(100)取向PST薄膜介電可調性的成分穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。誘導層拉應力對PST薄膜的居里溫度起到調制作用，使之關于組成、溫度不敏感，由此Pb含量在一定范圍內改變或者溫度發(fā)生改變，在PT誘導層上制備的PST薄膜均處于其相變點附近，具有穩(wěn)定的高可調性。在20×106V/m的電場下，Pb/Sr比例從30/70到50/50的范圍內，取向PST