论文部分内容阅读
铁电薄膜是指厚度在数十纳米至数微米之间且具有介电性、压电性、热释电性、铁电性等一系列功能特性的铁电材料,在航空、航天、电子、通讯、医疗及军事等领域具有广阔的应用前景。随着5G/6G技术的发展,其MEMS强场电学应用对薄膜的品质要求越来越高。本文主要针对现有的无机铁电薄膜在电卡制冷、介电调谐以及介质储能等强场电学应用中制冷/调谐/储能等效应以及温度稳定性较差等研究现状开展工作。提出以铅基准同型相界附近组分为研究对象,通过时效处理、择优取向以及异质结构筑等策略或手段,取得了如下研究成果:（1）采用脉冲激光沉积技术与溶胶凝胶技术分别在SrTiO3（STO）单晶衬底和Pt（111）/Ti Ox/Si O2/Si（100）（Pt）衬底上制备了Pb(Ni1/3Nb2/3)0.5Zr0.15Ti0.35O3（PNNZT）薄膜,结果表明,沉积在STO单晶衬底上的（100）和（111）取向薄膜中均存在正、负电卡效应,而沉积在Pt衬底上的多晶薄膜中仅出现了正电卡效应。时效处理后,（111）取向薄膜中的负电卡效应显著增强,在763 k V/cm电场下,其?T绝对值从4.7 K提高至10.2 K,且其极值温度移向室温,其有效制冷温区由360 K-447 K拓展至322 K-433K。经过XPS及EPR等结果分析得出,该现象主要归因于薄膜中镍/氧空位所形成的缺陷偶极子在时效过程中遵循点缺陷对称性原则所致。此外还发现,时效处理后多晶薄膜的饱和极化强度不变,但其剩余极化强度急剧减小,抗击穿场强明显降低,由2167 k V/cm降低至1834 k V/cm。然而,其储能密度则由14.26 J/cm~3提高至22.12 J/cm~3,其储能效率由23.9%提高至59.5%。（2）采用溶胶凝胶法在Nb掺杂的SrTiO3（STO）单晶衬底上制备了0.85Pb(Mg1/3Nb2/3)-0.15Pb Ti O3（PMN-15PT）外延级薄膜。沉积在Nb掺杂的STO（100）、（110）和（111）三种不同取向衬底上的PMN-15PT薄膜均获得了较高的介电调谐率（η）与频率稳定性,在500 Hz至10 k Hz频率范围内,其值分别～72%（电场为1500 k V/cm）,～74%（电场为1304 k V/cm）,～80%（电场为1500 k V/cm）。这些薄膜所展现的高介电调谐率可能跟极性纳米微区畴壁运动、重新取向以及晶格离子位移极化有关。（111）取向薄膜在～150 K工作温度范围内表现出最好的温度稳定性,在750 k V/cm的电场下,η=67.5%的中值波动小于±2%。这一现象可能归因于薄膜较大的介电弥散值,γ～1.81。此外,（100）、（110）和（111）取向薄膜还展现出了较高的储能性能。在3260k V/cm的电场下,其储能密度分别为45.1 J/cm~3、58.5 J/cm~3和40.3 J/cm~3,对应的储能效应分别为60.7%、55.9%和59.1%。（3）采用溶胶凝胶法制备了Ca0.2Zr0.8O1.8/0.85Pb(Mg1/3Nb2/3)-0.15Pb Ti O3（CZ/PMN-15PT）异质结薄膜。结果表明,该异质结构薄膜在较宽的温区范围内（298 K-453 K）展现出了较大的负电卡效应,其最大制冷温度变化?T绝对值高达9.35 K。宽温区负电卡效应主要来自两方面贡献:一方面,异质结界面处形成了从CZ层到PMN-15PT层的自建电场,导致了PMN-15PT薄膜中畴壁被钉扎,使其极化翻转变得困难;但随着温度升高,畴壁钉扎效应减弱,极化翻转恢复从而促进极化强度增强,薄膜获得了正的热释电系数对应表现出负电卡效应;另一方面,可能由于非极性CZ层在温度场与电场的共同诱导下转变成极性的CZ铁电相而引起CZ/PMN-15PT异质结薄膜中总的极化强度随温度升高而增强,从而表现出负电卡效应。（4）采用溶胶凝胶法构筑了PbZr0.52Ti0.48O3/Ca0.2Zr0.8O1.8/PbZr0.52Ti0.48O3（AZA-type）和PbZr0.3Ti0.7O3/Ca0.2Zr0.8O1.8/PbZr0.52Ti0.48O3（AZB-type）三明治异质结复合薄膜。结果表明,AZA-type和AZB-type三明治异质结薄膜均展现了双电滞回线。双电滞回线产生的原因与异质结界面处形成的自建电场有关,并非反铁电相的形成。相比于PbZr0.52Ti0.48O3薄膜,AZA-type三明治异质结薄膜展现了更大的负电卡效应,其最大制冷温度变化?T约-16.5 K,有效制冷温区为223 K至360 K。这一负电卡效应的起因同样可以归结于自建电场对薄膜电畴的钉扎及CZ层在外加电场诱导下由非极性相向极性铁电相的转变。此外,相比PbZr0.52Ti0.48O3薄膜,AZA-type和AZB-type三明治异质结薄膜展现了更高的抗击穿场强,分别为2305 k V/cm和2130 k V/cm,相对于PbZr0.52Ti0.48O3薄膜而言,分别提高了1.4倍和1.3倍,表明CZ层有利于提高薄膜的抗击穿场强;此外,AZA-type和AZB-type三明治异质结薄膜在电场约为1150 k V/cm时,其储能密度分别为13.8 J/cm~3和18.3 J/cm~3,储能效率分别为56.9%和60.1%。