PT誘導(dǎo)層上(100)取向PST薄膜的制備及其高介電可調(diào)性研究.pdf

1、介電可調(diào)材料的介電常數(shù)能夠由外加直流電場(chǎng)控制，適用于新型移相器，其介電可調(diào)性即直流電場(chǎng)下材料介電常數(shù)的變化百分比，直接決定了移相器的移相度大小。本論文以提高薄膜的介電可調(diào)性能為目的，研究了鈦酸鉛(PT)薄膜的取向生長(zhǎng)，并以取向PT為誘導(dǎo)層制備取向鈦酸鍶鉛(PST)薄膜，研究其介電可調(diào)性能。實(shí)驗(yàn)采用溶膠凝膠(sol-gel)法在ITO玻璃基板上制備PT和PST薄膜材料，用X射線衍射(XRD)分析PT和PST的擇優(yōu)取向特性，用掃描電子顯微鏡

2、(SEM)觀測(cè)PT和PST的形貌，用鐵電分析儀(TF1000)和阻抗分析儀(Agilent4294A)等分析了PST的鐵電性能和介電性能。具體內(nèi)容及研究結(jié)論如下：
　　 1.ITO基板上PST薄膜的制備、結(jié)構(gòu)、介電可調(diào)性能、鐵電性能研究。
　　 用溶膠凝膠法在ITO玻璃上制備(Pb0.4Sr0.6)(ZnxTi1-x)O3-x薄膜(PST40)，Zn離子的尺寸比Ti離子略大，Zn摻雜進(jìn)入PST鈣鈦礦結(jié)構(gòu)Ti的位置，同時(shí)產(chǎn)

3、生氧空位，使得PST的晶格常數(shù)發(fā)生規(guī)律性變化。Zn摻雜PST中取代缺陷和氧空位缺陷形成缺陷偶極子，受到缺陷偶極子的束縛作用，鐵電性急劇下降。同時(shí)Zn摻雜通過(guò)降低PST體系的c/a比例即降低四方相進(jìn)一步弱化了其鐵電性。PST的室溫鐵電性受Pb含量制約，Pb含量越高，鈣鈦礦PST的四方性越強(qiáng)，自發(fā)極化越強(qiáng)，鐵電性越明顯。有鐵電性的PST薄膜其介電常數(shù)～電壓曲線與電壓變化過(guò)程有關(guān)，對(duì)直流偏壓有一定的滯后，表現(xiàn)為蝴蝶曲線。熱處理工藝影響PST薄

4、膜的介電可調(diào)性及介電損耗。550℃熱處理的PST薄膜沒(méi)有介電可調(diào)性；600℃熱處理，延長(zhǎng)保溫時(shí)間和冷卻時(shí)間，PST薄膜的介電可調(diào)性提高，同時(shí)介電損耗值降低。熱處理過(guò)程的氧氣含量對(duì)PST薄膜的介電損耗有很大的影響，氧氣含量充足條件下，介電損耗值小于0.1，滿足材料實(shí)際應(yīng)用的要求。600℃通氧氣保溫1 h隨爐冷卻條件制備的PST薄膜其介電可調(diào)性為40％，介電損耗值為0.06。
　　 2.ITO基板上取向PT誘導(dǎo)層的制備及其擇優(yōu)取向生

5、長(zhǎng)機(jī)理研究用快速熱處理的方法，在ITO玻璃基板上成功制備了(001)(100)取向的鈣鈦礦相鈦酸鉛(PT)薄膜。不同雜質(zhì)離子、溶膠濃度、燒結(jié)時(shí)間、熱處理氣氛影響PT薄膜的取向特性。PT薄膜良好取向的必要條件：1，摻雜Zn2+，F(xiàn)e3+，Co2+離子；2，較低的溶膠濃度(0.1 mol/L)；3，較短的燒結(jié)時(shí)間(5 min)；4，缺氧的熱處理氣氛。取向程度較高的鈦酸鉛薄膜一般同時(shí)具有良好的結(jié)晶性能。
　　 用改變摻雜離子類(lèi)型、熱處

6、理氣氛、基板類(lèi)型、阻擋層的方法研究ITO基板上PT薄膜取向生長(zhǎng)的機(jī)理。當(dāng)摻雜離子的化合價(jià)低于Ti離子且熱處理氣氛為還原氣氛時(shí)，ITO基板上的PT薄膜取向生長(zhǎng)；在二氧化鈦和普通玻璃基板上皆不能實(shí)現(xiàn)PT薄膜的擇優(yōu)取向；厚度為45 nm的二氧化鈦?zhàn)钃鯇右膊荒茏钃鮌T的擇優(yōu)取向。據(jù)此建立了鈦酸鉛薄膜擇優(yōu)取向的生長(zhǎng)模型：摻雜以及缺氧氣氛使鈦酸鉛晶格中產(chǎn)生缺陷偶極子，在ITO的強(qiáng)表面靜電場(chǎng)的吸引作用下，帶有缺陷偶極子的PT晶胞按照<001>/<10

7、0>方向有序排列析晶。
　　 3.PT誘導(dǎo)取向PST薄膜的制備及其介電可調(diào)性研究在(001)/(100)鈦酸鉛誘導(dǎo)層上用溶膠凝膠法制備(100)取向的PST薄膜，PST薄膜的取向特性由PT誘導(dǎo)層決定。PT誘導(dǎo)層具有相對(duì)PST較大的晶格參數(shù)，在其上生長(zhǎng)的PST晶胞受到PT晶格的拉伸作用，PST薄膜的長(zhǎng)軸方向即自發(fā)偶極矩平行于薄膜平面。取向PST薄膜相對(duì)具有較高的介電常數(shù)和介電可調(diào)性。隨機(jī)取向PST薄膜的介電常數(shù)約為(100)取向P

8、ST薄膜介電常數(shù)的0.78倍。在80×106V/m的電場(chǎng)下，(100)取向PST薄膜的介電可調(diào)性都在60％以上，其中PST45的最大介電可調(diào)性為73％。
　　 自發(fā)偶極子在交流電場(chǎng)下的振動(dòng)是鐵電體交流介電常數(shù)的主體，其方位角對(duì)介電常數(shù)起決定性作用。外加電場(chǎng)垂直于自發(fā)偶極子時(shí)，材料的介電常數(shù)取極大值。根據(jù)自發(fā)偶極子方位角模型，計(jì)算得到隨機(jī)取向系統(tǒng)的介電常數(shù)與擇優(yōu)取向介電常數(shù)的比值為0.785，與實(shí)驗(yàn)值非常一致。自發(fā)偶極子在直流外電

9、場(chǎng)下朝著平行于直流電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，介電常數(shù)單調(diào)遞減。根據(jù)自發(fā)偶極子方位角模型，分別討論了連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)和不連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)兩種條件下的介電可調(diào)性理論值。當(dāng)電場(chǎng)方向垂直于自發(fā)偶極子方向時(shí)，材料才可能具有較大的介電可調(diào)性。自發(fā)偶極子在電場(chǎng)下轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程是一種激活過(guò)程，需要克服勢(shì)壘。四方性微弱時(shí)自發(fā)偶極矩子較小，激活能Ea也較小。當(dāng)四方性增加時(shí)，自發(fā)偶極矩大使轉(zhuǎn)動(dòng)不容易發(fā)生，激活能增大。高可調(diào)性需要同時(shí)滿足兩個(gè)條件：1，材料中存在自發(fā)偶極子；2，自發(fā)偶極子能轉(zhuǎn)動(dòng)

10、。由此高可調(diào)材料總是設(shè)計(jì)在相變臨界點(diǎn)附近。
　　 4.應(yīng)力對(duì)介電可調(diào)性的影響研究研究了PT誘導(dǎo)(100)取向PST薄膜介電可調(diào)性的成分穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。誘導(dǎo)層拉應(yīng)力對(duì)PST薄膜的居里溫度起到調(diào)制作用，使之關(guān)于組成、溫度不敏感，由此Pb含量在一定范圍內(nèi)改變或者溫度發(fā)生改變，在PT誘導(dǎo)層上制備的PST薄膜均處于其相變點(diǎn)附近，具有穩(wěn)定的高可調(diào)性。在20×106V/m的電場(chǎng)下，Pb/Sr比例從30/70到50/50的范圍內(nèi)，取向PST