摻雜PZT薄膜的制備及微結(jié)構(gòu)與鐵電性能研究.pdf

1、采用溶膠-凝膠技術(shù)結(jié)合快速熱處理(RTA)及復(fù)合熱處理工藝在Pt/Ti/SiO2/Si襯底上制備出不同擇優(yōu)取向的Gd、Yb及Gd與Nb復(fù)合摻雜Pb(Zr0.52Ti0.48)O3鐵電薄膜(簡(jiǎn)記為PGZT、PYZT、PGNZT，1mol％Gd摻雜的PZT薄膜簡(jiǎn)記為PGZT1，以此類推)。熱分解以及RTA熱處理溫度對(duì)鈣鈦礦相摻雜PZT薄膜的形成有重要影響。熱分解溫度高于350℃，RTA熱處理溫度在600～650℃之間可以得到單一鈣鈦礦相摻雜

2、PZT薄膜。熱分解溫度對(duì)RTA熱處理的薄膜取向性有重要影響，低溫?zé)岱纸?，PGZT和PYZT薄膜為(111)擇優(yōu)取向，高溫?zé)岱纸鉃?100)擇優(yōu)取向；Gd和Yb的摻入量對(duì)薄膜的取向性影響不大；采用RTA熱處理工藝，得到的Gd與Nb復(fù)合摻雜的PZT薄膜為多晶薄膜。采用復(fù)合熱處理方式，可制得高度(111)取向的PGZT、PYZT和PGNZT薄膜，熱分解溫度對(duì)復(fù)合退火方式制得摻雜PZT薄膜取向度沒(méi)有影響。隨著預(yù)晶化時(shí)間的增加，薄膜的(111)取

3、向度增加。
　　對(duì)取向摻雜PZT薄膜的結(jié)晶機(jī)制進(jìn)行了分析。溶膠-凝膠法摻雜PZT薄膜的結(jié)晶過(guò)程是成核控制過(guò)程。不同熱分解溫度下，在PZT/Pt界面生成的界面相化合物不同，生成的界面相化合物與PZT的(111)相匹配，經(jīng)過(guò)RTA處理后，薄膜以界面相化合物為種子層或模板層，異質(zhì)成核生長(zhǎng)，得到(111)擇優(yōu)取向的薄膜；生成的過(guò)渡相化合物與PZT的(100)相匹配，經(jīng)過(guò)RTA處理后，薄膜為(100)擇優(yōu)取向；采用復(fù)合退火方式時(shí)，平板爐預(yù)晶

4、化過(guò)程使PZT薄膜先部分晶化，晶粒為(111)取向，經(jīng)RTA處理，晶粒長(zhǎng)大，得到(111)取向的PZT薄膜。XRD的ω掃描分析表明，450℃熱分解，650℃RTA處理的PGZT和PYZT薄膜為(100)織構(gòu)；復(fù)合熱處理方式得到的PGZT、PYZT和PGNZT薄膜為(111)織構(gòu)，薄膜的織構(gòu)比較完善。
　　SEM和AFM分析表明，Gd、Yb及Gd與Nb復(fù)合摻雜使PZT薄膜的結(jié)晶特性發(fā)生明顯變化。當(dāng)Gd含量不高于1mol%，Yb含量不

5、高于2mol%時(shí)，PZT薄膜的晶粒發(fā)育完全，晶粒均勻，薄膜致密；隨Nb含量的增加，PGNZT薄膜的晶粒尺寸變大。
　　1mol%Gd摻雜的PGZT1薄膜和1mol%Yb摻雜的PYZT1薄膜的鐵電和介電性能較好，薄膜的剩余極化值增大，矯頑場(chǎng)降低，介電常數(shù)增大，漏電流減小。2mol%Gd摻雜的PGZT2薄膜與未摻雜的PZT薄膜相比，抗疲勞性能有所改善，但其它鐵電性能有所下降，介電性能沒(méi)有明顯改善。對(duì)于Gd摻雜PZT薄膜，Gd的摻入量不

6、應(yīng)大于2mol%；2mol%Yb摻雜的PYZT2薄膜與未摻雜的PZT薄膜相比，鐵電性能和介電性能都有明顯改善，對(duì)于Yb摻雜PZT薄膜，Yb的摻入量不應(yīng)大于3mol%。適當(dāng)Gd與Nb摻雜量和相對(duì)比例的復(fù)合摻雜明顯改善PZT薄膜的鐵電性能。高度(111)取向的PGNZT薄膜的抗極化疲勞性能優(yōu)于(100)和(111)取向的PGZT和PYZT薄膜。
　　摻雜PZT的容限因子計(jì)算、缺陷化學(xué)及瑞利定律分析表明，Gd和Yb在PZT中具有施主摻雜