PZT鐵電薄膜的制備與性能研究.pdf

1、本論文主要采用磁控濺射(Magnetron Sputtering)法制備了PZT鐵電薄膜，包括制備Pb(Zr<,0.80>，Ti<,0.20>)O<,3>和PbZr<,0.20>，Ti<,0.80>)O<,3>單層膜以及Pb(Zr<,0.80>，Ti<,0.20>)O<,3>/Pb(Zr<,0.20>，Ti<,0.80>)O<,3>多層膜；利用改進Sol-Gel技術(shù)研究制備了PZT鐵電厚膜。研究了不同襯底、不同Ar:O<,2>氣氛以及不

2、同襯底溫度對制備PZT薄膜的結(jié)構(gòu)和性能的影響；研究了PZT多層鐵電薄膜的制備工藝；利用XRD、SEM、AFM、XPS、EDAX等現(xiàn)代分析技術(shù)對PZT單層膜、PZT多層膜以及厚膜的結(jié)構(gòu)、成分、形貌、進行了深入的分析研究；利用TH-2816型數(shù)字電橋和壓電工作站測試了PZT鐵電薄膜、厚膜的電學性能。本論文獲得的主要結(jié)論如下： 1、PZT晶體在Pt上的晶格失配率為4.78％在Si上的晶格失配率為31.7％，PZT在晶格失配率較小的Pt

3、上形核生長遠比在晶格失配率大的Si和SiO<,2>/Si上容易。利用SEM對不同襯底上沉積的PZT薄膜表面進行了分析，發(fā)現(xiàn)在Si和SiO<,2>/Si表面上沉積的PZT薄膜都有裂紋出現(xiàn)，在Pt上沉積的PZT薄膜經(jīng)退火處理后，薄膜表面平整，無裂紋、孔洞，微觀結(jié)構(gòu)致密，顆粒大小均勻一致。 2、在維持較低的襯底溫度T<,S>=300℃的條件下，在純Ar中原位沉積的PZT薄膜經(jīng)后期退火處理后可以得到較高純度的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。而當濺射氣體中含

4、有O<,2>時，濺射制備的PZT薄膜很難經(jīng)退火處理轉(zhuǎn)變?yōu)殁}鈦礦結(jié)構(gòu)。濺射氣體中含氧氣比例越多，濺射制備的PZT薄膜的鈣鈦礦相含量越低。 3、在550℃、600℃、650℃的襯底溫度下，在位沉積了PZT薄膜。實驗發(fā)現(xiàn)在600℃時沉積的PZT薄膜可以得到完全的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。利用AFM對550℃、600℃、650℃下三種溫度下沉積的PZT鐵電薄膜進行了表面形貌分析，其掃描范圍為500hm時，PZT薄膜的表面均方根粗糙度(RMS)分別為2

5、.6nm、5.2nm和9.0nm，平均粒徑分別為220.nm、24.6nm和49.3nm，這表明PZT薄膜隨著襯底溫度的升高晶粒逐漸長大，表面粗糙度升高。 4、利用Sol--Gel技術(shù)制備了PZT納米粉體，利用改進Sol-Gel技術(shù)在Pt/Ti/SiO<,2>/Si上成功制備出了厚度約為5μm的PZT鐵電厚膜。 5、利用XPS分析了濺射制備的Pb(Zr<,0.80>,Ti<,0.20>)O<,3>薄膜的化學成分，PZT薄

6、膜的中含有Pb、Ti、Zr以及O原子的比例為：22.45％、19.57％、4.28％和53.7％。利用EDAX分析了PZT薄膜中Pb、Ti和Zr原子百分比分別為50.850％、39.492％和9.658％，可以看出PZT薄膜的Pb、Ti、zr接近化學計量比。 6、利用SEM對多層膜進行了斷面分析，經(jīng)180分鐘沉積的PZT多層膜厚度達到了0.526gm，平均沉積速率約為0.5 A/s 7、測試了PZT鐵電單層膜、多層膜

7、以及厚膜的電學性能，發(fā)現(xiàn)PZT鐵電單層膜、多層膜的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗都是隨頻率的增加而降低的，其中，多層膜在dR/dT為1/3時lkHz下的介質(zhì)損耗為0.021，介電常數(shù)為347。 8、利用壓電工作站測試了PZT鐵電單層膜、多層膜以及PZT厚膜的電滯回線，PZT(80/20)單層薄膜的剩余極化強度P<,r>=9.45μC／cm<'2>，矯頑場E<,c>=54.9 kV/cm；PZT(20/80)單層薄膜的P<,r>=9.45μC