BZT-BCT薄膜雙靶磁控濺射制備與電性能.pdf

1、(1-x)Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3(BZT-xBCT)無(wú)鉛壓電陶瓷在準(zhǔn)同型相界(MPB)附近的壓電系數(shù)d33高達(dá)620pC/N,是壓電系數(shù)唯一接近鉛基材料的無(wú)鉛陶瓷體系。然而該體系的薄膜材料由于制備質(zhì)量差,壓電性能遠(yuǎn)低于陶瓷材料,目前報(bào)道的性能皆小于100pm/V。另外,BZT-BCT體系由于居里溫度低于90℃,壓電性能溫度穩(wěn)定性差,限制了其應(yīng)用。
　　本研究利用磁控濺射工藝制備BZT-

2、BCT薄膜,針對(duì)濺射靶材成分難以準(zhǔn)確控制的問(wèn)題,分別制備BZT和BCT兩塊靶材,采用雙靶磁控濺射沉積薄膜;針對(duì)磁控濺射薄膜質(zhì)量較好,但難以晶化的問(wèn)題,采用升溫濺射工藝,并通過(guò)種子層的設(shè)計(jì)及濺射方式的調(diào)節(jié)制備高質(zhì)量的薄膜,同時(shí)利用升溫壓電力顯微鏡研究薄膜壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性。
　　研究結(jié)果表明,對(duì)于雙靶共濺射的BZT-BCT薄膜而言,薄膜為純的單相BZT-BCT,沒(méi)有雜相,且為多晶膜,沒(méi)有明顯擇優(yōu)取向。隨著晶化溫度的提高,薄膜的粗糙

3、度先降低后升高,在750℃時(shí)最小約為5nm,但薄膜整體粗糙度都小于8nm;薄膜的晶粒尺寸隨著晶化溫度的提高逐漸增加;在共濺射的薄膜中發(fā)現(xiàn)了明顯的鐵電疇結(jié)構(gòu),并且疇結(jié)構(gòu)中面外疇的數(shù)量隨晶化溫度的增加整體上是增多的,其中在晶化溫度為800℃時(shí),發(fā)現(xiàn)了小于100nm的大量納米疇。薄膜的壓電性能整體上隨晶化溫度的增加而增加,主要取決于面外疇的數(shù)量,其中最小的壓電系數(shù)為144pm/V,而在發(fā)現(xiàn)大量納米疇的薄膜中,獲得了最高的d33值,達(dá)到了258

4、pm/V。薄膜高溫d33測(cè)量結(jié)果表明,所有薄膜隨著溫度增加,壓電系數(shù)都先增大再減小,在80℃前,d33值皆大于100pm/V,最大的d33值可達(dá)382pm/V,表明所有薄膜具有良好的溫度穩(wěn)定性。
　　為了避免共濺射時(shí)輝光的相互影響,采用BZT和BCT薄膜分別濺射的工藝制備疊層結(jié)構(gòu)BZT/BCT薄膜,并通過(guò)種子層的設(shè)計(jì),優(yōu)化薄膜質(zhì)量。研究結(jié)果表明,通過(guò)LaNiO3種子層的加入,薄膜的表面粗糙度降低,薄膜出現(xiàn)了明顯的(100/001)