ITO玻璃衬底PLZT,ZnO掺杂薄膜及其透明异质结的制备与性能研究

摘要

锆钛酸铅镧(PLZT)薄膜因其优异的光学、铁电和介电性能,成为制备透明铁电器件的重要材料之一。本文采用溶胶-凝胶(Sol-gel)工艺直接在掺锡氧化铟(ITO)玻璃衬底上制备Pb1-xLaxZr0.53Ti0.47O3, ZnO:F:Al及掺杂薄膜,并通过引入缓冲层ZnO,成功地制备了ZnO:Al:F/Pb1-xLaxZr0.53Ti0.47O3/ZnO/ITO透明异质结,并对其特性进行研究。
　　首先,详细研究了退火温度及旋涂层数对PLZT薄膜晶相结构、表面形貌、铁电性、介电性及电光性能的影响,并据此确定了合理的工艺参数。结果表明:在550 oC~750 oC内,PLZT薄膜的表面平整,且较为致密,无明显缺陷。PLZT铁电薄膜在650 oC退火下无焦绿石及其它杂相,并且PLZT薄膜沿(110)晶面择优生长,PLZT/ITO界面清晰,具有较高的电光性能。随着镀膜层数的增加,PLZT薄膜的电性能有所改善,但是透光性能降低,薄膜镀膜层数为10层时综合性能较好。其次,为了改进PLZT薄膜的性能,探索了不同的Pb过量百分比、La含量及Bi掺杂对PLZT薄膜的晶相结构、电滞回线(P-E)、电容-电压特性(C-V)、电流-电压特性(I-V)、抗疲劳性和透光率等性能的影响。实验表明,Pb过量为10％的PLZT薄膜具有较好的电性能;随着La含量的增加,PLZT薄膜的透光性能不断增强,透光率最大可达到92%。Bi元素掺杂可以降低 PLZT薄膜的漏电流,其中, Bi掺杂量y值为0.6时, Pb0.9(La1-yBiy)0.1Zr0.53Ti0.47O3薄膜具有较大的介电常数值(εr=801);接着,采用超声波喷雾热解(USP)技术制备了ZnO:Al:F(AFZO)透明电极薄膜,研究了不同衬底温度和Al掺杂对AFZO薄膜的生长取向、晶相结构,电性能及透光性能的影响。结果表明,当衬底温度为320 oC时,AFZO薄膜表现出较好的择优取向性,无杂相,表面致密,颗粒均匀,电光性能较好。当F:Al:Zn=3:1.5:100时,AFZO薄膜具有很好的电性能(126Ω/sq)和光性能(80%);最后,研究了AFZO/PLZT/ZnO/ITO异质结的铁电性能、疲劳特性、I-V特性、C-V特性和透光性。结果表明,C-V曲线显示出源于铁电极化的回滞,具有可实现极化存储的特征。引入ZnO缓冲层后,Bi掺杂薄膜的铁电性能比未掺杂的薄膜有所降低,其剩余极化值从64μC/cm2变化为57μC/cm2;疲劳特性有明显改善,极化反转次数提高了两个数量级;漏电流降低了近两个数量级;PLZT薄膜的C-V曲线记忆窗口略大于PLBZT薄膜的记忆窗口,并对可能导致两种材料性能差异的原因进行了分析。

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第一章 绪论

§1.1 引言

§1.2 铁电电容器存储原理

§1.3 铁电薄膜材料研究现状

§1.4 PLZT材料结构特征与掺杂改性的研究

§1.5 铁电薄膜的改性研究现状

§1.6 本文研究的意义及内容

第二章 铁电薄膜的制备与结构性能表征方法

§2.1 铁电薄膜材料的制备方法

§2.2 电极的选取

§2.3 ITO玻璃基的清洗

§2.4 铁电薄膜的制备

§2.5 薄膜的结构性能表征

第三章 工艺条件对PLZT薄膜结构和光电性能的影响

§3.1 退火温度对薄膜结构和光电性能的影响

§3.2 镀膜层数对PLZT薄膜结构与电光性能的影响

§3.3 本章小结

第四章 组分和掺杂对PLZT薄膜微观结构和电光性能的影响

§4.1 引言

§4.2 Pb过量对PLZT薄膜微观结构和电光性能的影响

§4.3 La含量对PLZT薄膜微观结构和电光学性能的影响

§4.4 不同铋掺杂量对PLBZT薄膜微观结构和电性能的影响

§4.5 小结

第五章 AFZO/PLZT/ZnO/ITO透明电容的制备及其电光性能研究

§5.1 引言

§5.2 F、Al共掺ZnO基薄膜的制备及其性能研究

§5.3 AFZO/PLZT/ITO全透明电容的微观性能研究

§5.4 ZnO缓冲层对PLZT/ZnO/ITO异质性能的影响

§5.5 小结

第六章 结论

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果