溶胶凝胶法制备镁掺杂钛酸锶铅和银掺杂锆钛酸铅薄膜及其介电性能研究

摘要

钙钛矿相铁电薄膜具有优异的铁电、介电、介电可调和光学等性能，在随机存储器、介电元器件、可调器件和光学元器件中具有广泛的应用市场和前景。本文以典型的A位和B位掺杂PbTiO3(PT)的(Pb,Sr)TiO3(PST)和Pb(Zr,Ti)O3(PZT)薄膜为研究对象，通过分析掺杂、取向和形成渗流型结构等手段对薄膜形成和性能的影响，探索薄膜性能改善的机理。
　　本研究主要内容包括：⑴通过溶胶凝胶法制备Mg掺杂的Pb0.35Sr0.65TiO3薄膜，将 Mg离子引入PST薄膜中进行B位掺杂取代Ti形成缺陷，通过使得Ti4+变价为Ti3+形成缺陷，有效地降低了薄膜内氧空位的含量，同时，薄膜体系中的缺陷还可以与氧空位形成~缺陷偶极子对，对氧空位的自由迁移形成有效的束缚，大大降低了氧空位的迁移能力，从而降低了薄膜的介电损耗。当Mg掺杂含量为6mol％时， PST薄膜的介电损耗与纯PST薄膜相比降低了30%。⑵利用溶胶凝胶法制备Ag掺杂的PbZr0.52Ti0.48O3薄膜，通过引入过量的银离子，其中一部分掺杂进入 PZT晶格从而降低由于铅挥发形成的缺陷，提高了薄膜的结晶性能。利用银铅二元共晶体系的特性，控制另一部分银离子与铅离子在热处理前期形成了Ag-Pb合金亚稳过渡相，并在随后的热处理过程逐渐分解形成了纳米银颗粒，解决了 PZT薄膜结晶能力弱而难以在其中形成纳米银的问题，并形成了掺杂 Ag/PZT薄膜的渗流结构体系，薄膜的介电常数有了显著的提高，渗流型Ag/PZT薄膜的介电常数比纯PZT的介电常数高出230%。同时，薄膜中纳米银增强了薄膜内部电场，降低了薄膜高介电可调性和铁电性所需的调制电压。在获得相同性能的情况下，渗流型Ag/PZT薄膜的的介电可调调制电压和矫顽场比纯PZT薄膜的分别低45%和29%。⑶在取向PT的基板上制备取向PZT的过程中，在体系中引入银离子，由于在取向PT上诱导取向PZT形成时，PZT的结晶能低，能迅速结晶形成致密的基体，对Ag的扩散形成强的阻碍作用，降低了Ag的扩散速率，从而在取向PZT中形成了纳米银颗粒，在取向 PZT中实现了渗流效应，大大提高了薄膜的介电可调性能和降低了调制电压，与随机取向的纯PZT相比，取向PZT复合纳米银薄膜的介电可调性高出100%，调制电压低60%。⑷利用纳米银的等离子共振吸收峰的峰位与其粒径有关，设计在薄膜中形成一定粒径分布的纳米银，从而提高了薄膜光的吸收宽度。通过控制溶胶形成以及热处理，在薄膜中形成了平均尺寸为30nm的六方银和平均尺寸为5nm的立方银，产生了相互不重叠的吸收峰，将光的吸收宽度提高了35%。

目录

声明

第一章 绪论

第二章 文献综述

2.1钙钛矿相铁电薄膜材料概述

2.2 铁电薄膜的介电损耗及其低损耗研究进展

2.3 铁电薄膜的介电可调性能和高介电可调薄膜研究进展

2.4 铁电薄膜的介电性能及其高介电薄膜研究进展

2.5 渗流型薄膜中纳米导电相颗粒制备研究进展

2.6 本文研究的目的和意义

第三章实验

3.1实验原料与仪器

3.2薄膜制备

3.3薄膜材料的结构、形貌、成分和性能测试

第四章 Mg掺杂PST薄膜的制备及其介电性能研究

4.1 引言

4.2 Mg掺杂PST薄膜的晶相形成研究

4.3 PST薄膜中缺陷偶极子对的形成研究

4.4 Mg掺杂PST薄膜中偶极子对和缺陷对介电及可调性能的控制性研究

4.4结论

第五章 ITO基板和取向PT基板上Ag掺杂PZT薄膜的制备研究

5.1 引言

5.2 ITO基板上Ag掺杂PZT薄膜的制备研究

5.3 PT基板上Ag掺杂PZT薄膜制备及其机理研究

5.4随机取向薄膜中由Ag-Pb合金过渡中间相控制的纳米银形成及其机理研究

5.5结论

第六章 Ag掺杂PZT薄膜的渗流效应以及对薄膜介电铁电性能的影响

6.1 引言

6.2非取向A g掺杂P ZT薄膜的渗流效应以及对铁电介电性能的影响

6.3取向Ag掺杂PZT薄膜的渗流效应以及对介电常数的影响

6.4 结论

第七章 取向PST和PZT薄膜的高介电可调研究

7.1 引言

7.2取向PST薄膜中应力对介电可调性的影响研究

7.3取向PZ T复合纳米银渗流结构的介电可调性能

7.4 结论

第八章PZT薄膜中立方相和六方相纳米银的形成及其对光学性能的影响

8.1 引言

8.2 PZT薄膜中立方和六方纳米银的形成研究

8.3六方纳米银和立方纳米银共存复合PZT薄膜的光学性能

8. 4 结论

第九章全文总结与展望

9.1 全文结论

9.2存在问题与展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的论文与取得的其他研究成果