摻雜PZT薄膜的制備及微結(jié)構(gòu)與鐵電性能研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、采用溶膠-凝膠技術(shù)結(jié)合快速熱處理(RTA)及復(fù)合熱處理工藝在Pt/Ti/SiO2/Si襯底上制備出不同擇優(yōu)取向的Gd、Yb及Gd與Nb復(fù)合摻雜Pb(Zr0.52Ti0.48)O3鐵電薄膜(簡記為PGZT、PYZT、PGNZT,1mol%Gd摻雜的PZT薄膜簡記為PGZT1,以此類推)。熱分解以及RTA熱處理溫度對鈣鈦礦相摻雜PZT薄膜的形成有重要影響。熱分解溫度高于350℃,RTA熱處理溫度在600~650℃之間可以得到單一鈣鈦礦相摻雜

2、PZT薄膜。熱分解溫度對RTA熱處理的薄膜取向性有重要影響,低溫?zé)岱纸猓琍GZT和PYZT薄膜為(111)擇優(yōu)取向,高溫?zé)岱纸鉃?100)擇優(yōu)取向;Gd和Yb的摻入量對薄膜的取向性影響不大;采用RTA熱處理工藝,得到的Gd與Nb復(fù)合摻雜的PZT薄膜為多晶薄膜。采用復(fù)合熱處理方式,可制得高度(111)取向的PGZT、PYZT和PGNZT薄膜,熱分解溫度對復(fù)合退火方式制得摻雜PZT薄膜取向度沒有影響。隨著預(yù)晶化時間的增加,薄膜的(111)取

3、向度增加。
  對取向摻雜PZT薄膜的結(jié)晶機(jī)制進(jìn)行了分析。溶膠-凝膠法摻雜PZT薄膜的結(jié)晶過程是成核控制過程。不同熱分解溫度下,在PZT/Pt界面生成的界面相化合物不同,生成的界面相化合物與PZT的(111)相匹配,經(jīng)過RTA處理后,薄膜以界面相化合物為種子層或模板層,異質(zhì)成核生長,得到(111)擇優(yōu)取向的薄膜;生成的過渡相化合物與PZT的(100)相匹配,經(jīng)過RTA處理后,薄膜為(100)擇優(yōu)取向;采用復(fù)合退火方式時,平板爐預(yù)晶

4、化過程使PZT薄膜先部分晶化,晶粒為(111)取向,經(jīng)RTA處理,晶粒長大,得到(111)取向的PZT薄膜。XRD的ω掃描分析表明,450℃熱分解,650℃RTA處理的PGZT和PYZT薄膜為(100)織構(gòu);復(fù)合熱處理方式得到的PGZT、PYZT和PGNZT薄膜為(111)織構(gòu),薄膜的織構(gòu)比較完善。
  SEM和AFM分析表明,Gd、Yb及Gd與Nb復(fù)合摻雜使PZT薄膜的結(jié)晶特性發(fā)生明顯變化。當(dāng)Gd含量不高于1mol%,Yb含量不

5、高于2mol%時,PZT薄膜的晶粒發(fā)育完全,晶粒均勻,薄膜致密;隨Nb含量的增加,PGNZT薄膜的晶粒尺寸變大。
  1mol%Gd摻雜的PGZT1薄膜和1mol%Yb摻雜的PYZT1薄膜的鐵電和介電性能較好,薄膜的剩余極化值增大,矯頑場降低,介電常數(shù)增大,漏電流減小。2mol%Gd摻雜的PGZT2薄膜與未摻雜的PZT薄膜相比,抗疲勞性能有所改善,但其它鐵電性能有所下降,介電性能沒有明顯改善。對于Gd摻雜PZT薄膜,Gd的摻入量不

6、應(yīng)大于2mol%;2mol%Yb摻雜的PYZT2薄膜與未摻雜的PZT薄膜相比,鐵電性能和介電性能都有明顯改善,對于Yb摻雜PZT薄膜,Yb的摻入量不應(yīng)大于3mol%。適當(dāng)Gd與Nb摻雜量和相對比例的復(fù)合摻雜明顯改善PZT薄膜的鐵電性能。高度(111)取向的PGNZT薄膜的抗極化疲勞性能優(yōu)于(100)和(111)取向的PGZT和PYZT薄膜。
  摻雜PZT的容限因子計(jì)算、缺陷化學(xué)及瑞利定律分析表明,Gd和Yb在PZT中具有施主摻雜

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