PZT铁电薄膜实验报告.doc

材料科学与工程学院基地班创新和任选实验 论文 高度取向锆钛酸铅铁电薄膜材料 制备及性能优化 姓名： 严岑琪 学号： 200900150260 指导教师： 欧阳俊 日期：2013.1.5 目录 一、研究背景简介及研究意义 3 1.1 PZT薄膜研究背景 3 1.2 PZT铁电材料结构 3 1.3 PZT薄膜发展现状及趋势 4 1.4 PZT薄膜研究意义 4 二、研究方法 5 2.1 脉冲激光沉积法 5 2.2 真空蒸发法 5 2.3溶胶—凝胶法 5 2.4 化学气相沉积法 6 2.5 磁控溅射法 6 三、试验用原材料及仪器设备 7 3.1 试验用原材料 7 3.2 试验用仪器设备 7 四、实验步骤 8 4.1 主要研究方法 8 4.1.1 制备工艺流程 8 4.1.2 性能检测 8 4.2 PZT铁电薄膜的制备参数 8 4.3 PZT铁电薄膜的制备过程 8 五、实验结果记录与相关讨论 9 5.1 XRD 9 5.2 电滞回线 11 5.3 漏电电流特性 14 5.4 介电行为 15 六、结论 16 七、参考文献 16 一、研究背景简介及研究意义 1.1 PZT薄膜研究背景 铁电体是具有自发极化且自发极化矢量的取向能随外电场的改变而改变方向的材料。铁电材料是一类强介电材料，其介电常数可高达102～106。铁电材料具有优良的铁电、压电、热释电、电光、声光及非线性光学特性，集力、热、光、电等性能于一体，具有其它材料不可比拟的优越性能。铁电材料的这些特殊性质使得它在超声换能器件、微机电耦合器件、高容量电容器、铁电存储器、电光快门、光控器件、成像与显示器件等多方面都具有广泛的应用前景。 另一方面，由于电子技术，信息技术和控制技术的发展，要求器件小型化和集成化，对新材料提出了新的要求。PZT功能薄膜由于其优良的压电性能、热电性能、铁电性能、光电性能和介电性能被广泛地用于传感器，驱动器和各种精密仪器的控制部分。 1.2 PZT铁电材料结构 含氧八面体的铁电材料是铁电材料的其中一种类型，包括钙钛矿结构、钨青铜结构和LiNb03结构三个子类。目前对钙钛矿结构的铁电材料的研究最为广泛和活跃，钙钛矿结构的基本化学式为AB03，其中A为一价或两价金属离子，B为四价或五价金属离子。包括BaTi03，PbTi03，PbZr03，SrTi03等。其基本结构单元是一个简立方晶格如图1-1，顶角为较大的A离子，体心为较小的B离子，六个面心为O离子，这六个O离子正好构成一个正八面体如图1-2，这就是把它们称为“含氧八面体的铁电材料”的理由。要说明的是，仅在原型相(顺电相)时其结构是真正的立方晶格，而在铁电相，该“立方”晶格在a轴与c轴方向的晶格常数有微小的差别，因此，它是“赝立方”结构。在A位和B位上分别引入某些置换离子，就成为复合钙钛矿结构，从而得到改性的铁电材料。 钙钛矿结构的自发极化主要来源于B位离子偏离氧八面体中心的运动，其中氧八面体 的四重轴c4、三重轴C3和两重轴c2都是可能的自发极化方向，即钙钛矿结构有三种铁电相，相应的空间群分别是P4mm、R3m和Amm2，而顺电相的空间群是Pm3m。锆钛酸铅PZT是有PbZr03和PbTi03两种物质组成的固溶体系。由于zr和Ti原子半径相近，所以PbZr03和PbTi03能以任何比例固溶。 图1-1 图1-2 1.3 PZT薄膜发展现状及趋势 经过20多年的发展，PZT薄膜已经广泛地应用于光、电、热、声等高科技领域。PZT压电薄膜的应用已经从最初的留声机拾音器、助听器、电话扬声器等结构简单、功能单一的器件发展到目前的微传感器、微执行器、声波定位系列、红外探测阵列等结构复杂的多功能器件。PZT压电薄膜发展的另一个新的、快速的领域是将微机械执行器和微传感器集成到一个芯片上，从而构成微电子机械系统，完成由单一电学方法或光学方法无法完成的信号传感、接受、处理到最后输出的整个过程口。 但是目前PZT薄膜的发展也受到一些问题的困扰，比如薄膜的结晶取向问题、疲劳、老化、极化反转时间的延长等。同时由于PZT薄膜中复杂的离子结构和缺陷结构以及其他一些因素的影响，如电极材料、衬底质量、淀积温度、外界应力等，使得生长高质量的PZT薄膜还存在一定的难度。为了解决PZT薄膜结晶取向，极化反转时间长的缺点，获得综合性能良好的PZT薄膜，目前的改进方法主要集中在制备工艺调整，如改变退火时间、温度和气氛，采用不同的制备方法，如Sol-Gel法、脉冲激光，通过添加不同元素进行