PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3铁电薄膜结晶特性及性能

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鉴于在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备纯钙钛矿相Pb(Mg1/3Nb2/3O3)-PbTiO3 (PMN-PT)薄膜是制约其应用的主要瓶颈,本文着重研究了TiO2种子层对以Pt/Ti/SiO2/Si为衬底的PMN-PT薄膜相组成的影响规律与机制。采用射频磁控溅射方法制备TiO2种子层,利用快速热退火工艺对种子层进行晶化处理。利用射频磁控溅射和脉冲激光沉积法制备PMN-PT薄膜PMN-PT薄膜。利用X射线小角镜面反射技术对种子层的厚度及其溅射速率进行表征;利用广角X射线衍射技术对薄膜物相进行分析;利用原子力显微镜、扫描电镜等手段对薄膜的表面质量和晶粒大小进行分析。并研究了薄膜的铁电和介电性能,讨论了种子层对薄膜介电和铁电性能的影响规律。研究结果表明,在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上利用射频磁控溅射的法得到纯钙钛矿相的PMN-PT薄膜是非常困难的。在射频磁控溅射法中,溅射参数(例如工作气压、靶基距、退火温度和退火时间等)对PMN-PT薄膜钙钛矿相的形成有着非常重要的影响。当加入不同厚度的非晶的二氧化钛种子层时,在合适的磁控溅射工艺和退火工艺下,可以获得具有纯钙钛矿相的PMN-PT薄膜。研究发现,晶态和非晶态TiO2种子层对PMN-PT薄膜物相的影响规律是不同的。当采用晶化TiO2为种子层时,采用550℃快速热处理,即可获得具有纯钙钛矿相的PMN-PT薄膜,而且薄膜具有一定的(110)衍射峰织构。对于脉冲激光沉积法制备的PMN-PT薄膜而言,如果没有种子层,当衬底温度为575650℃时,PMN-PT的薄膜中几乎没有钙钛矿相形成。当加入TiO2层以后,采用575℃快速热处理可以获得纯钙钛矿相结构的PMN-PT薄膜。研究发现,采用衬底不加热的脉冲激光沉积法制备PMN-PT薄膜时,可以通过后续快速热处理的方法获得具有钙钛矿结构的薄膜,但薄膜厚度对薄膜的相组成有极为重要的影响。当不添加种子层的时候,厚度较薄的薄膜有利于钙钛矿相的形成;而加入TiO2种子层的以后,厚度较厚的薄膜有利于钙钛矿相的形成。为了进一步提高PMN-PT薄膜中钙钛矿相的含量、降低薄膜的晶化处理温度,本文提出了一种新的两步法薄膜晶化工艺,即经过较低温度退火以后,再于较高温度下进行结晶退火。研究结果表明,对于两步退火晶化的薄膜而言,在无种子层的作用下,当PMN-PT薄膜的厚度小于200nm时,薄膜中存在(100)织构。当加入二氧化钛种子层以后,薄膜在200到360nm的范围内,得到了(110)织构。另外,分步退火技术处理的PMN-PT薄膜在加入二氧化钛种子层时显示了强烈的(100)织构。原子力的结果表明,二氧化钛种子层有助于薄膜表面粗糙度的降低。扫描电镜的结果表明,无论是通过射频磁控溅射法还通过脉冲激光沉积法制备的PMN-PT薄膜,与没有加入种子层的薄膜相比,二氧化钛种子层有助于PMN-PT薄膜的晶粒长大和组织致密性的提高。综合各种薄膜物相分析结果,本文认为,TiO2种子层是通过抑制薄膜中有害的界面相来抑制焦绿石相的形成。铁电性能测量的结果表明,PMN-PT薄膜中的焦绿石严重地影响着薄膜的铁电性能。而TiO2种子层则能使PMN-PT薄膜的剩余极化强度增加和矫顽场的减小。随着薄膜厚度的增加,剩余极化强度也随之增加。分步退火同样使薄膜的剩余极化强度进一步增加,并且使矫顽场明显减小。介电性能的测量结果表明,当加入二氧化钛种子层的时候,薄膜的介电常数明显的增加。除此之外,二步退火法也能进一步增加薄膜的介电常数。
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