柔性无机复合铁电薄膜制备及器件应用

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锆钛酸铅及铌镁酸铅-钛酸铅等铅系铁电材料,因其具有优异的铁电、压电、热释电性能被广泛应用到微机电系统、传感器、驱动器等功能器件中。而器件薄膜化、轻薄化的发展需求对薄膜的性能、稳定性、可集成性及工艺兼容性都提出了新的要求和挑战。对于柔性铁电薄膜的直接生长工艺、构效关系、器件结构以及稳定性等问题仍是目前铁电材料器件化应用进程中不可避免的难题。因而本文主要针对锆钛酸铅及铌镁酸铅-钛酸铅两种铁电材料,利用脉冲激光沉积对铁电材料在柔性基底上薄膜化工艺进行探索,同时结合对器件中各结构功能层之间的影响关系进行分析,利用复合层叠结构实现压电、铁电性能提升及优化,最后结合器件宏观性能测试探究性能提升机理,为后续器件结构设计提供基础,因此本文中柔性无机复合薄膜的工艺及器件应用主要可以分为以下两个部分:(1)柔性PZT及PMN-PT单层薄膜制备工艺探究。针对于两种铁电材料,对其在单晶基底Sr Ti O3以及二维柔性云母基底上进行沉积,同时结合RHEED分析底电极层在基底上的沉积动力学过程,探究了底电极层对铁电薄膜的生长影响,采用氧化物底电极有效减小器件漏电流密度1-2个数量级,同时优化了PLD沉积各层的工艺参数,结合漏电流及极化特性分析衬底及电极结构对单层薄膜结构、性能影响。(2)柔性复合薄膜制备及性能提升机理探究。通过对复合薄膜的沉积次序、漏电流密度,结合介电、压电及铁电分析,对界面数量及界面元素扩散对复合薄膜性能的影响机理进行探究。并结合柔性铁电薄膜器件的疲劳和稳定性测试,利用有效电容理论揭示复合薄膜的性能提升作用,最终在弯曲应力及疲劳铁电测试后,极化强度仍保持80%以上的优异性能。综上所述,本文针对柔性无机复合铁电薄膜的制备工艺、器件界面特性、宏观性能及疲劳特性进行研究,为高性能铁电材料薄膜化、器件化应用提供一定的指导作用。
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