PZT铁电薄膜的中低温磁控溅射制备及其性能研究

发布时间：2020-03-24 11:24

【摘要】：铁电薄膜具有优良的性能,如铁电性、压电性、热释电性、介电性、非线性光学性质以及电光学性质,使其在微电子和光电子学、大数据、移动计算和微机械等多个核心和新兴领域有着愈发广阔的应用。锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3 orPZT)是铁电薄膜研究的关键材料之一,其自身铁电、压电和热释电性能优异,居里温度较高,易于掺杂并具有良好的稳定性,使其成为科研和商业应用最广泛的铁电材料之一。但PZT薄膜磁控溅射法制备温度较高,因此若能降低PZT薄膜的制备温度,则能使其更好地与CMOS-Si技术相集成从而在应用方面具有关键指导意义。BaTiO3与PZT材料具有相似的钙钛矿结构,BaTiO3的介电损耗和漏电流小并具有良好的铁电性,并且其低温制备工艺已经较完善。我们将PZT和BaTi03两种材料相互整合制备成双层薄膜材料,通过PZT和BaTiO3间的极化耦合作用及由底电极层与BaTiO3层形成的空间电荷层的相互作用,使得材料间的特性“优势互补”,从而得到电性能优异的双层铁电薄膜。在实验研究方面,本文利用多靶射频溅射沉积系统在中低温下(350℃、500℃)制备出PZT/BaTiO3双层铁电薄膜和PZT单层铁电薄膜,后经快速退火工艺(RTP)后得到了电性能优异的PZT单双层铁电薄膜。本文具体研究内容如下:1.PZT/BaTiO3双层铁电薄膜的制备及性能表征(1)中低温下PZT/BaTiO3双层薄膜的性能研究。探究出500℃是PZT/BaTiO3双层薄膜的原位生长温度,并找到350℃低温结合后期快速退火工艺(RTP)的PZT低温制备温度,并得到此低温PZT薄膜优异的电学性能。(2)PZT/BaTiO3双层薄膜体现出PZT材料和BaTiO3材料的综合特性,即PZT/BaTiO3双层薄膜与PZT单层薄膜相比:PZT/BaTiO3双层薄膜电滞回线更加细长、耐压性明显提高但是极化强度降低、漏电流和介电常数都明显减小。(3)固定PZT/BaTiO3双层薄膜总厚度,探究出随着BaTiO3层比例的增加,电滞回线的形状更加细长,即击穿场强明显增大而极化强度有显著降低,漏电流密度随双层膜中BaTiO3层厚度的增大呈下降趋势。2.PZT单层铁电薄膜的中低温制备及性能表征(1)在350℃的低温下制备的PZT薄膜样品在退火后极易极化,表明其良好的铁电性,这与PZT薄膜在退火后依然保持的细晶粒有关。另外通过不同频率的铁电测试发现此PZT薄膜样品退火后的等效电路是一个由线性和非线性电容器以及理想的铁电体组成的并联电路。(2)350℃下的PZT薄膜快速退火后表现出极优异的压电性能,在6V-20V-6V的一个循环测试中,其横向压电系数|e31,f|在14.1-15.8C/m2之间,品质因数FOM为 18.26-22.93GPa。(3)低温下制备的PZT薄膜样品退火后疲劳特性良好,经过108循环仍能保持良好的铁电性能。108循环后±Pr分别降到初始值的～78%和～74%。
【图文】：

极化过程,电滞回线,铁电体,原子结构

（２）（Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ邋ｌｏｏｐ）：一ｉ为电场五的双值函数而形成的电滞回线曲线，如图１－２。未加外电场时，晶体的逡逑总力矩为零，并且当外部电场施加到晶体时，电畴中若含有沿电场方向的极化分逡逑量，这些电畴就会相应的变大，并且与该方向反向平行的电畴则相应地较小。如逡逑图１－２中的ＯＡ部分所示。随后极化强度随着电场强度的增加而不断增大，越来逡逑越多的畴沿着电场方向，最后所有的畴都沿着同一方向，形成单畴，如图中ＢＣ逡逑段。此时的极化强度在正向达到饱和。饱和极化强度（朽）就是将ＢＣ段的直线部逡逑分外推到零点场时候的纵轴截距。随后极化强度随着电场强度的减小而逐渐降低，，逡逑对应于外部零电场的极化强度就是剩余极化强度Ｐｒ。随后电场反向，剩余极化逡逑逐渐减小为零，零极化强度对应的电场即为矫顽场五ｃ。需要注意的是当电场反逡逑向时，极化也反转。反向极化随外电场的变化规律与正向完全一致，这样极化强逡逑度随着外电场的变化就得到一个封闭的曲线即为电滞回线。图内的插图为四方相逡逑简单钙钛矿结构的电偶极矩随电场的翻转过程示意图。逡逑

晶胞结构

１．４邋ＰＺＴ和ＢａＴｉ０３结构及电性能逡逑１．４．１邋ＰＺＴ结构和电性能逡逑典型的钙钛矿型晶体结构如图１－５所示，其化学通式为ＡＢ０３，目前钙钛矿逡逑的铁电体，如钛酸铅（ＰｂＴｉ０３）、锆钛酸铅（ＰＺＴ）和钛酸钡（ＢａＴｉ０３）都在各领域有着逡逑广泛的开发和应用。对于ＰＺＴ，晶胞的顶点被更大半径的Ｐｂ２＋离子所占据，晶胞逡逑中心被半径更小的Ｔｉ４＋或者Ｚｒ４＋占据，而面心位置分别被六个０２＿离子所占据。逡逑由于Ｚｒ４＋和Ｔｉ４＋离子有相似的物理和化学性质，半径大小相近，分别为０．６１邋Ａ和逡逑０．７２Ａ，两者都小于八面体空位半径，因此ＰｂＺｒ０３和ＰｂＴｉ0３能够以任何比例形逡逑成连续固溶体，即ＰｂＺｒｉ．ｘＴｉｘＯ３（０彡ｘ彡１）。生成ＰＺＴ固溶体后，ＰＺＴ的性能相比逡逑ＰｂＺｒ０３和ＰｂＴｉ０３来说有较大的变化，它的各项机电性能都有更良好的热稳定性。逡逑？V/逡逑图１－５邋ＰＺＴ邋ＡＢ０３型晶胞结构逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｃｒｙｓｔａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＡＢ０３逡逑ＰＺＴ中的Ｚｒ４＋和Ｔｉ４＋离子位置在受到外加电场或外部压力时可以被移动
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2

【参考文献】