锆钛酸铅薄膜结构表征与残余应力分析

摘要

本文采用溶胶凝胶方法和射频磁控溅射方法制备了锆钛酸铅(Pb(Zr0.52Ti0.48)O3，PZT)薄膜。利用广角X射线衍射技术研究了PZT薄膜的相结构；利用X射线ω扫描技术分析了PZT薄膜的晶体学织构及其弥散度;采用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察了薄膜的表面形貌；运用小角 X射线散射(SAXS)技术表征了溶胶凝胶薄膜中的微细孔洞；通过细聚焦平面探测器X射线衍射几何的分析，建立了一种基于面探XRD技术的薄膜微小区域残余应力分析方法，并研究了Ag电极对薄膜微区残余应力的影响规律；最后初步分析了制备工艺参数对PZT薄膜铁电性能的影响。
　　XRD物相分析结果表明，通过调节溶胶凝胶工艺和热处理工艺，可以由廉价无机锆盐为原材料制备出低焦绿石含量及纯钙钛矿相的PZT薄膜。研究发现，前驱体浓度对溶胶凝胶 PZT薄膜织构有重要影响。当前驱体浓度较低时(0.3mol/L)时薄膜倾向于形成强烈的(100)织构，而高的前驱体浓度(0.5mol/L)则有利于(111)织构的形成。溶胶凝胶PZT薄膜中的(111)织构的弥散度随退火时间的延长、退火温度的提高而增大。
　　ω-扫描XRD分析结果指出，射频磁控溅射工艺对PZT薄膜织构影响显著，研究发现高的溅射功率有利于薄膜(100)织构的形成。
　　SAXS和SEM的分析结果表明，PZT薄膜中的微细孔洞与高摩尔浓度的前驱体溶液密切相关。浓度为0.5mol/L溶液制备的薄膜内部沿膜厚方向有序分布着Z方向尺寸为0.5nm的微细孔洞，随着退火时间延长，微细孔洞的逐渐闭合。
　　基于掠入射 X射线衍射(GIXRD)的残余应力测量表明，溶胶凝胶 PZT薄膜中的残余应力为拉应力，而射频磁控溅射 PZT薄膜中为压应力。对于射频磁控溅射薄膜而言，溅射功率及溅射气压对薄膜中的残余应力有着重要的影响，随着溅射气压的增大，薄膜中的残余压应力逐渐增加。对溶胶凝胶PZT薄膜而言，在居里点附近的交变电场热处理有助于降低薄膜中的残余应力。
　　细聚焦面探XRD分析表明，可以利用德拜环的畸变对薄膜微区的残余应力进行表征，研究发现，Ag上电极有明显松弛薄膜残余应力的作用。
　　铁电性能测试表明，薄膜的微观组织、残余应力及织构对薄膜的铁电性能有重要影响，相比于具有较大弥散度的(111)织构薄膜，强烈(100)织构的PZT薄膜有更高的剩余极化强度和较低的矫顽场。随着薄膜厚度增加，(100)织构薄膜的剩余极化强度增加，矫顽场降低。射频磁控溅射 PZT薄膜中应力对剩余极化强度的影响研究表明，随着薄膜残余应力的增大，薄膜的剩余极化强度逐渐减小。

目录

锆钛酸铅薄膜结构表征与残余应力分析

STRUCTURE CHARACTERIZATIONAND RESIDUAL STRESS ANALYSIS OFPZT THIN FILMS

摘要

Abstract

CONTENTS

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 PZT 铁电薄膜的制备方法

1.3 PZT 铁电薄膜的组织结构

1.4 PZT 薄膜的铁电性能

1.5 PZT 铁电薄膜的应用

1.6 薄膜的X 射线分析技术

1.7 本文主要研究内容

第2章 材料及试验方法

2.1 试验材料及薄膜制备设备

2.2 薄膜制备工艺参数

2.3 研究方法

第3章 PZT 薄膜晶化行为分析

3.1 引言

3.2 溶胶凝胶PZT 薄膜的相结构

3.3 溶胶凝胶PZT 薄膜的织构

3.4 射频磁控溅射PZT 薄膜的相结构

3.5 射频磁控溅射PZT 薄膜的织构

3.6 本章小结

第4章 PZT 薄膜微观组织分析

4.1 引言

4.2 PZT 薄膜的成分分析

4.3 PZT 薄膜的组织形貌

4.4 溶胶凝胶PZT 薄膜的标度特性及生长机制研究

4.5 溶胶凝胶PZT 薄膜的微细孔洞

4.6 本章小结

第5章 PZT 薄膜残余应力分析

5.1 引言

5.2 薄膜残余应力的掠入射X 射线分析

5.3 射频磁控溅射PZT 薄膜的残余应力分析

5.4 溶胶凝胶PZT 薄膜的残余应力分析

5.5 PZT 薄膜微小区域残余应力分析

5.6 交变电场热处理PZT 薄膜的残余应力

5.7 本章小结

第6章 PZT 薄膜的铁电性能

6.1 引言

6.2 溶胶凝胶PZT 薄膜的铁电性能

6.3 射频磁控溅射PZT 薄膜的铁电性能

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历