PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3铁电薄膜结晶特性及性能

摘要

鉴于在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备纯钙钛矿相Pb(Mg1/3Nb2/3O3)-PbTiO3(PMN-PT)薄膜是制约其应用的主要瓶颈，本文着重研究了TiO2种子层对以Pt/Ti/SiO2/Si为衬底的PMN-PT薄膜相组成的影响规律与机制。采用射频磁控溅射方法制备TiO2种子层，利用快速热退火工艺对种子层进行晶化处理。利用射频磁控溅射和脉冲激光沉积法制备PMN-PT薄膜PMN-PT薄膜。利用X射线小角镜面反射技术对种子层的厚度及其溅射速率进行表征；利用广角X射线衍射技术对薄膜物相进行分析；利用原子力显微镜、扫描电镜等手段对薄膜的表面质量和晶粒大小进行分析。并研究了薄膜的铁电和介电性能，讨论了种子层对薄膜介电和铁电性能的影响规律。
　　研究结果表明，在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上利用射频磁控溅射的法得到纯钙钛矿相的PMN-PT薄膜是非常困难的。在射频磁控溅射法中，溅射参数（例如工作气压、靶基距、退火温度和退火时间等）对PMN-PT薄膜钙钛矿相的形成有着非常重要的影响。当加入不同厚度的非晶的二氧化钛种子层时，在合适的磁控溅射工艺和退火工艺下，可以获得具有纯钙钛矿相的PMN-PT薄膜。研究发现，晶态和非晶态TiO2种子层对PMN-PT薄膜物相的影响规律是不同的。当采用晶化TiO2为种子层时，采用550℃快速热处理，即可获得具有纯钙钛矿相的PMN-PT薄膜，而且薄膜具有一定的(110)衍射峰织构。
　　对于脉冲激光沉积法制备的PMN-PT薄膜而言，如果没有种子层，当衬底温度为575~650℃时，PMN-PT的薄膜中几乎没有钙钛矿相形成。当加入TiO2层以后，采用575℃快速热处理可以获得纯钙钛矿相结构的PMN-PT薄膜。研究发现，采用衬底不加热的脉冲激光沉积法制备PMN-PT薄膜时，可以通过后续快速热处理的方法获得具有钙钛矿结构的薄膜，但薄膜厚度对薄膜的相组成有极为重要的影响。当不添加种子层的时候，厚度较薄的薄膜有利于钙钛矿相的形成；而加入TiO2种子层的以后，厚度较厚的薄膜有利于钙钛矿相的形成。
　　为了进一步提高PMN-PT薄膜中钙钛矿相的含量、降低薄膜的晶化处理温度，本文提出了一种新的两步法薄膜晶化工艺，即经过较低温度退火以后，再于较高温度下进行结晶退火。研究结果表明，对于两步退火晶化的薄膜而言，在无种子层的作用下，当PMN-PT薄膜的厚度小于200nm时，薄膜中存在(100)织构。当加入二氧化钛种子层以后，薄膜在200到360nm的范围内，得到了(110)织构。另外，分步退火技术处理的PMN-PT薄膜在加入二氧化钛种子层时显示了强烈的(100)织构。
　　原子力的结果表明，二氧化钛种子层有助于薄膜表面粗糙度的降低。扫描电镜的结果表明，无论是通过射频磁控溅射法还通过脉冲激光沉积法制备的PMN-PT薄膜，与没有加入种子层的薄膜相比，二氧化钛种子层有助于PMN-PT薄膜的晶粒长大和组织致密性的提高。综合各种薄膜物相分析结果，本文认为，TiO2种子层是通过抑制薄膜中有害的界面相来抑制焦绿石相的形成。
　　铁电性能测量的结果表明，PMN-PT薄膜中的焦绿石严重地影响着薄膜的铁电性能。而TiO2种子层则能使PMN-PT薄膜的剩余极化强度增加和矫顽场的减小。随着薄膜厚度的增加，剩余极化强度也随之增加。分步退火同样使薄膜的剩余极化强度进一步增加，并且使矫顽场明显减小。
　　介电性能的测量结果表明，当加入二氧化钛种子层的时候，薄膜的介电常数明显的增加。除此之外，二步退火法也能进一步增加薄膜的介电常数。

目录

PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3铁电薄膜结晶特性及性能

CHARACTERISTIC CRYSTALLIZATION AND PROPERTIES OF PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3 FERROELECTRIC FILM

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 PMN-PT材料简介

1.3 PMN-PT薄膜的研究进展

1.4 PMN-PT薄膜的制备方法

1.5 PMN-PT薄膜主要应用

1.6 本文主要研究内容

第2章 实验材料及研究方法

2.1 实验材料制备

2.2 热处理工艺

2.3 薄膜制备的工艺参数

2.4 薄膜结构和微观组织分析

2.5 薄膜铁电和介电性能测量

第3章 射频磁控溅射PMN-PT薄膜相组成

3.1 引言

3.2 靶材和衬底相组成

3.3 Pt衬底PMN-PT薄膜的相组成

3.4 二氧化钛种子层的表征

3.5 二氧化钛种子层对PMN-PT薄膜相组成的影响

3.6 本章小结

第4章 脉冲激光沉积PMN-PT薄膜的相组成

4.1 引言

4.2 衬底温度对相组成的影响

4.3 氧气分压对PMN-PT薄膜相组成的影响

4.4 PMN-PT薄膜的厚度对相组成的影响

4.5 分步退火对PMN-PT薄膜相组成的影响

4.6 本章小结

第5章 PMN-PT薄膜微观组织

5.1 引言

5.2 PMN-PT薄膜成分分析

5.3 射频磁控溅射PMN-PT薄膜组织结构

5.4 脉冲激光沉积PMN-PT薄膜组织结构

5.5 本章小结

第6章 PMN-PT薄膜的电学性能的研究

6.1 引言

6.2 射频磁控溅射PMN-PT薄膜的铁电性能

6.3 脉冲激光沉积PMN-PT薄膜的铁电性能

6.4 PMN-PT薄膜介电性能研究

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

致谢

个人简历