【摘 要】
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近年来,由于压电、介电、铁电等良好性能,择优取向的PZT薄膜在能量收集器、铁电存储器、可穿戴设备、微传感器、微执行器件以及喷墨打印头等设备中得到越来越广泛的应用。现阶段的研究主要集中于多层异质PZT薄膜对PZT薄膜的单一性能的改善。然而,一种性能的改善总是伴随着另一种性能的下降,且制备出的薄膜晶相较为混乱。同时,多层异质薄膜的厚度比对薄膜性能的影响鲜有人开展相关研究。因此,亟需面向PZT薄膜的综合
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近年来,由于压电、介电、铁电等良好性能,择优取向的PZT薄膜在能量收集器、铁电存储器、可穿戴设备、微传感器、微执行器件以及喷墨打印头等设备中得到越来越广泛的应用。现阶段的研究主要集中于多层异质PZT薄膜对PZT薄膜的单一性能的改善。然而,一种性能的改善总是伴随着另一种性能的下降,且制备出的薄膜晶相较为混乱。同时,多层异质薄膜的厚度比对薄膜性能的影响鲜有人开展相关研究。因此,亟需面向PZT薄膜的综合性能,制备铁电、介电、晶相均良好的多层异质薄膜,针对多层异质薄膜的厚度比对其性能的影响开展相关研究。本课题基于溶胶凝胶法的相关技术制备了种子层,采用溅射技术在种子层表面覆盖PZT薄膜,相关研究主要包含以下几个方面的内容:(1)研究了保温时间对原位溅射PZT薄膜性能的影响。预置衬底温度为650℃,利用原位溅射技术完成PZT薄膜的溅射,研究了保温时间分别为5min、10min、15min、20min、25min、30min时,PZT薄膜的微观结构和铁电、介电特性。结果表明所有PZT薄膜经过650℃原位溅射后均呈现钙钛矿结构,而且(100)择优取向度较高,随着保温时间的变化,PZT薄膜的择优取向和晶相结构的变化并不明显。然而,保温10min的样品具有最好的铁电、介电性能,其中矫顽场强Ec=45.1 k V/cm,剩余极化强度Pr=15.0μC/cm~2,介电常数εr=1755。(2)研究了交替沉积0.3Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PMN-PZT/PZT)异质结构的各层厚度比对薄膜性能的影响。保持每层薄膜厚度不变,Pb1.2(Zr0.40,Ti0.60)O3种子层上采用原位溅射工艺溅射沉积异质薄膜,保证所有异质薄膜的异质界面数量均为5,当厚度比为2∶1时,样品具有最高的(111)择优取向,PZT薄膜具有致密的柱状结构以及最佳的介电性能,εr=1237.9(1 k Hz)。同时,薄膜具有最小的漏电流密度,J=5.5×10-8 A/cm~2。(3)对PZT薄膜的压电系数进行测量,制备PZT压电微执行器,测量不同厚度比多层异质结构薄膜的振动性能。PZT薄膜的横向压电系数e31由悬臂梁法测定;压电微执行器基于MEMS技术制备,其振幅由激光多普勒系统测定。实验结果表明:PMN-PZT与PZT二者厚度比为2:1时,薄膜的压电系数和振幅均达到峰值。
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