SOL-GEL法制备PZT薄膜及其性能的研究

摘要

PbZrTiO3(PZT)作为一种重要的铁电材料，以其优异的压电、介电、铁电、热释电等性能以及能够与半导体技术相兼容的特点，被广泛的应用于微电子学、光电子学和微电子机械系统等领域，是作为铁电存储器、微执行器、压力传感器等器件的理想材料。在大多数情况下，PZT薄膜的结晶取向是任意的，而这不利于PZT薄膜电学性能的最优化。所以如何控制外部条件，以得到能定向生长的PZT薄膜，尤其是如何制备出沿(111)结晶取向的PZT薄膜一直是研究的重点。
　　本文采用溶胶-凝胶法（Sol-Gel法）在室温下成功制备了PZT前驱体溶液，同时为了研究种子层的作用也成功制备了锆酸铅(PZ)和钛酸铅(PT)前驱体溶液。采用旋涂法将PZT凝胶均匀分布到基底表面，并最终通过热处理得到理想的实验样品。本课题研究了铅的挥发、基底、种子层、高温退火处理等因素对PZT薄膜性能的影响。对于铅挥发的研究表明，由于高温处理引起的铅的缺失容易导致焦绿石相的存在，通过多添加10％的铅，可以有效抑制焦绿石的生长。通过研究不同基底对PZT薄膜的影响发现，相对于在Si基底上，PZT更容易在Pt基底上生长，其XRD的衍射峰更强，晶粒的尺寸更大，且薄膜表面不会出现裂纹和气孔。PT和PZ种子层对PZT薄膜影响的研究表明，在有种子层时PZT薄膜的XRD衍射峰更强，说明其结晶状况更好。对其电学特性测试结果也表明，在有种子层时，其铁电特性和介电特性的更好，即能得到更高的剩余极化强度和介电常数，而且PT的作用更显著。高温退火的研究表明，在PT种子层上生长的PZT薄膜随着退火温度升高和保温时间的延长，可沿(111)取向生长，尤其是在700℃/2h处理后，薄膜沿(111)择优取向，其铁电特性和介电特性大幅提升。
　　本课题最终成功制备了沿(111)定向生长的PZT薄膜。实验结果证实所制备的沿(111)择优取向的PZT薄膜的确有更优异的电学性能。其铁电和介电特性都有很大提升，例如剩余强度可达到21.06μC/cm2，介电常数可以达到978，这完全可以满足实际的商业应用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 PZT铁电薄膜的性能能及应用

1．3 PZT铁电薄膜的发展现状

1．3．1 PZT薄膜的研究进展

1．3．2 PZT铁电薄膜研究存在的问题

1．4 本课题研究的意义和主要内容

1．5 本章小结

第二章 薄膜的制备技术

2．1 薄膜技术的发展史

2．2 薄膜的制备技术

2．3 薄膜的分析方法

第三章 溶胶-凝胶法制备PZT薄膜

3．1 实验设备及材料

3．1．1 试验设备

3．1．2 试验材料

3．2 试验原理

3．3 试验流程

3．3．1 溶剂瓶和基底的清洗

3．3．2 前驱体溶液的配制

3．3．3 PzT薄膜的制备

3．3．4 顶电极的制备

3．4 本章小结

第四章 铅挥发和基底对PZT薄膜的影响

4．1 铅挥发的影响

4．2 基底的影响

4．2．1 XRD分析

4．2．2 SEM分析

4．3 本章小结

第五章 种子层和退火处理对PZT薄膜的影响

5．1 种子层的影响

5．1．1 xRD分析

5．1．2 电学性能测试

5．2 高温退火处理的影响

5．2．1 XRD分析

5．2．2 表面形貌

5．2．3 电学性能测试

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢