【摘要】：鐵電薄膜具有優(yōu)良的性能,如鐵電性、壓電性、熱釋電性、介電性、非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)以及電光學(xué)性質(zhì),使其在微電子和光電子學(xué)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)計(jì)算和微機(jī)械等多個(gè)核心和新興領(lǐng)域有著愈發(fā)廣闊的應(yīng)用。鋯鈦酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3 orPZT)是鐵電薄膜研究的關(guān)鍵材料之一,其自身鐵電、壓電和熱釋電性能優(yōu)異,居里溫度較高,易于摻雜并具有良好的穩(wěn)定性,使其成為科研和商業(yè)應(yīng)用最廣泛的鐵電材料之一。但PZT薄膜磁控濺射法制備溫度較高,因此若能降低PZT薄膜的制備溫度,則能使其更好地與CMOS-Si技術(shù)相集成從而在應(yīng)用方面具有關(guān)鍵指導(dǎo)意義。BaTiO3與PZT材料具有相似的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),BaTiO3的介電損耗和漏電流小并具有良好的鐵電性,并且其低溫制備工藝已經(jīng)較完善。我們將PZT和BaTi03兩種材料相互整合制備成雙層薄膜材料,通過(guò)PZT和BaTiO3間的極化耦合作用及由底電極層與BaTiO3層形成的空間電荷層的相互作用,使得材料間的特性“優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”,從而得到電性能優(yōu)異的雙層鐵電薄膜。在實(shí)驗(yàn)研究方面,本文利用多靶射頻濺射沉積系統(tǒng)在中低溫下(350℃、500℃)制備出PZT/BaTiO3雙層鐵電薄膜和PZT單層鐵電薄膜,后經(jīng)快速退火工藝(RTP)后得到了電性能優(yōu)異的PZT單雙層鐵電薄膜。本文具體研究?jī)?nèi)容如下:1.PZT/BaTiO3雙層鐵電薄膜的制備及性能表征(1)中低溫下PZT/BaTiO3雙層薄膜的性能研究。探究出500℃是PZT/BaTiO3雙層薄膜的原位生長(zhǎng)溫度,并找到350℃低溫結(jié)合后期快速退火工藝(RTP)的PZT低溫制備溫度,并得到此低溫PZT薄膜優(yōu)異的電學(xué)性能。(2)PZT/BaTiO3雙層薄膜體現(xiàn)出PZT材料和BaTiO3材料的綜合特性,即PZT/BaTiO3雙層薄膜與PZT單層薄膜相比:PZT/BaTiO3雙層薄膜電滯回線(xiàn)更加細(xì)長(zhǎng)、耐壓性明顯提高但是極化強(qiáng)度降低、漏電流和介電常數(shù)都明顯減小。(3)固定PZT/BaTiO3雙層薄膜總厚度,探究出隨著B(niǎo)aTiO3層比例的增加,電滯回線(xiàn)的形狀更加細(xì)長(zhǎng),即擊穿場(chǎng)強(qiáng)明顯增大而極化強(qiáng)度有顯著降低,漏電流密度隨雙層膜中BaTiO3層厚度的增大呈下降趨勢(shì)。2.PZT單層鐵電薄膜的中低溫制備及性能表征(1)在350℃的低溫下制備的PZT薄膜樣品在退火后極易極化,表明其良好的鐵電性,這與PZT薄膜在退火后依然保持的細(xì)晶粒有關(guān)。另外通過(guò)不同頻率的鐵電測(cè)試發(fā)現(xiàn)此PZT薄膜樣品退火后的等效電路是一個(gè)由線(xiàn)性和非線(xiàn)性電容器以及理想的鐵電體組成的并聯(lián)電路。(2)350℃下的PZT薄膜快速退火后表現(xiàn)出極優(yōu)異的壓電性能,在6V-20V-6V的一個(gè)循環(huán)測(cè)試中,其橫向壓電系數(shù)|e31,f|在14.1-15.8C/m2之間,品質(zhì)因數(shù)FOM為 18.26-22.93GPa。(3)低溫下制備的PZT薄膜樣品退火后疲勞特性良好,經(jīng)過(guò)108循環(huán)仍能保持良好的鐵電性能。108循環(huán)后±Pr分別降到初始值的～78%和～74%。
【圖文】：

（２）（Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ邋ｌｏｏｐ）：一ｉ為電場(chǎng)五的雙值函數(shù)而形成的電滯回線(xiàn)曲線(xiàn)，如圖１－２。未加外電場(chǎng)時(shí)，晶體的逡逑總力矩為零，并且當(dāng)外部電場(chǎng)施加到晶體時(shí)，電疇中若含有沿電場(chǎng)方向的極化分逡逑量，這些電疇就會(huì)相應(yīng)的變大，并且與該方向反向平行的電疇則相應(yīng)地較小。如逡逑圖１－２中的ＯＡ部分所示。隨后極化強(qiáng)度隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而不斷增大，越來(lái)逡逑越多的疇沿著電場(chǎng)方向，最后所有的疇都沿著同一方向，形成單疇，如圖中ＢＣ逡逑段。此時(shí)的極化強(qiáng)度在正向達(dá)到飽和。飽和極化強(qiáng)度（朽）就是將ＢＣ段的直線(xiàn)部逡逑分外推到零點(diǎn)場(chǎng)時(shí)候的縱軸截距。隨后極化強(qiáng)度隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的減小而逐漸降低，，逡逑對(duì)應(yīng)于外部零電場(chǎng)的極化強(qiáng)度就是剩余極化強(qiáng)度Ｐｒ。隨后電場(chǎng)反向，剩余極化逡逑逐漸減小為零，零極化強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)即為矯頑場(chǎng)五ｃ。需要注意的是當(dāng)電場(chǎng)反逡逑向時(shí)，極化也反轉(zhuǎn)。反向極化隨外電場(chǎng)的變化規(guī)律與正向完全一致，這樣極化強(qiáng)逡逑度隨著外電場(chǎng)的變化就得到一個(gè)封閉的曲線(xiàn)即為電滯回線(xiàn)。圖內(nèi)的插圖為四方相逡逑簡(jiǎn)單鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的電偶極矩隨電場(chǎng)的翻轉(zhuǎn)過(guò)程示意圖。逡逑

１．４邋ＰＺＴ和ＢａＴｉ０３結(jié)構(gòu)及電性能逡逑１．４．１邋ＰＺＴ結(jié)構(gòu)和電性能逡逑典型的鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)如圖１－５所示，其化學(xué)通式為ＡＢ０３，目前鈣鈦礦逡逑的鐵電體，如鈦酸鉛（ＰｂＴｉ０３）、鋯鈦酸鉛（ＰＺＴ）和鈦酸鋇（ＢａＴｉ０３）都在各領(lǐng)域有著逡逑廣泛的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。對(duì)于ＰＺＴ，晶胞的頂點(diǎn)被更大半徑的Ｐｂ２＋離子所占據(jù)，晶胞逡逑中心被半徑更小的Ｔｉ４＋或者Ｚｒ４＋占據(jù)，而面心位置分別被六個(gè)０２＿離子所占據(jù)。逡逑由于Ｚｒ４＋和Ｔｉ４＋離子有相似的物理和化學(xué)性質(zhì)，半徑大小相近，分別為０．６１邋Ａ和逡逑０．７２Ａ，兩者都小于八面體空位半徑，因此ＰｂＺｒ０３和ＰｂＴｉ0３能夠以任何比例形逡逑成連續(xù)固溶體，即ＰｂＺｒｉ．ｘＴｉｘＯ３（０彡ｘ彡１）。生成ＰＺＴ固溶體后，ＰＺＴ的性能相比逡逑ＰｂＺｒ０３和ＰｂＴｉ０３來(lái)說(shuō)有較大的變化，它的各項(xiàng)機(jī)電性能都有更良好的熱穩(wěn)定性。逡逑？V/逡逑圖１－５邋ＰＺＴ邋ＡＢ０３型晶胞結(jié)構(gòu)逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｃｒｙｓｔａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＡＢ０３逡逑ＰＺＴ中的Ｚｒ４＋和Ｔｉ４＋離子位置在受到外加電場(chǎng)或外部壓力時(shí)可以被移動(dòng)
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB383.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2598252