基于PZT铁电薄膜的光电探测器研究

发布时间：2020-09-07 14:21

　　铁电材料由于具有可反转的自发极化特征,现在已广泛应用于传感器、驱动器及铁电存储器等领域,是国内外新型功能材料的研究热点之一。近年来的研究表明,铁电材料由于具有光伏效应,在太阳能光电转化应用具有巨大的应用前景,主要是由于其不受禁带宽度限制的反常开路电压及其光生载流子的产生机制,而相对于陶瓷等块状材料,薄膜具有更快的响应速度、更高的光电转换效率,更易于应用在集成电路与系统中,并且研究发现铁电薄膜在特定波长光照下能产生较大的光生电压,这就使得其在紫外-红外探测领域具有潜在的应用前景,因此本文对PZT薄膜的光电探测能力开展研究。实验中制备了基于Si(111)基底的三明治结构光电探测器,采用射频磁控溅射法依次制备了ZnO/PZT与ITO/PZT薄膜,PZT薄膜厚度约为250nm,再用电阻式蒸发沉积上金属Ag顶电极。对这两种底电极的PZT薄膜进行XRD分析表征,其中ZnO底电极上沉积的PZT薄膜具有较明显的钙钛矿晶体结构,且其铁电性能及抗疲劳特性也优于ITO/PZT结构,剩余极化强度达到2.67μC/cm~2,经过10~8次极化翻转后其剩余极化强度为原来的95.4%。论文还对PZT薄膜的制备工艺对其铁电性能及光电性能的影响进行了研究,采用不同氩氧比的溅射气氛,发现在制备中加入少量氧气(O_2占12.5%)后,ZnO/PZT异质结可获得较好的晶格匹配,晶粒大小的均匀性有所提高,其剩余极化强度达到7.14μC/cm~2,而光伏性能测试中纯氩气氛制备的PZT薄膜的光响应度达到0.2V/W。实验结果表明其光响应性能与铁电性能成正相关关系。最后我们在低温条件下(260℃)采用柔性衬底制作了PZT薄膜光电探测器,在聚酰亚胺衬底上制备了PZT铁电薄膜,与Si衬底PZT薄膜样品相比较,其薄膜表面具有较多缺陷,导致了铁电性能上的下降。其饱和极化强度为3.17μC/cm~2,矫顽场为0.825V,剩余极化强度为11.09μC/cm~2,柔性衬底的PZT薄膜光电探测器在波长为340nm处光响应度最大,达到0.12V/W。结果表明所制备出的柔性PZT薄膜探测器在材料结构及性能上具有可行性。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.2;TN15
【部分图文】：

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第一章引言料材料简介一般认为是在 1920 年左右， Joseph Valasek 在对单H2O)的研究中发现，其在外电场 E 作用下，得到一条极线类似的回线[1]，如图 1-1 所示。即得到的 P-E 曲线具有线类似的特点，通常该特性被称为铁电特性。相应地，材料被称为铁电材料[2]。电滞回线是铁电材料最重要的特能否成为为铁电材料的主要依据之一。铁电特性主要特性、压电特性和热释电特性等性能[3]，比如 SiC 等半导体移，在某些特定情况下也能得到类似电滞回线的曲线[4-5]料特有的压电、铁电等特性，所以并不属于铁电材料。

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图 1-2 铁电薄膜光伏原理酸铅（PZT）材料铅通常简称为 PZT，化学通式为 Pb(ZrxTi1-x)O3，属于典型钙钛化合物的化学通式为 ABO3，结构如图 1-3 所示。PZT 之所以能主要是因为其特殊的晶体结构。32 个晶体学点群中有 10 个特殊这些点群的晶体存在特殊的极化方向，从而晶胞中正负电荷中移，形成电偶极矩，产生自发极化[14]。

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图 1-2 铁电薄膜光伏原理锆钛酸铅（PZT）材料锆钛酸铅通常简称为 PZT，化学通式为 Pb(ZrxTi1-x)O3，属于典型钙钛矿结构体，其化合物的化学通式为 ABO3，结构如图 1-3 所示。PZT 之所以能够产生极化，主要是因为其特殊的晶体结构。32 个晶体学点群中有 10 个特殊的极性，具有这些点群的晶体存在特殊的极化方向，从而晶胞中正负电荷中心沿该发生偏移，形成电偶极矩，产生自发极化[14]。

【参考文献】