BNT、PZT鐵電薄膜的殘余應(yīng)力.pdf

1、鐵電薄膜因其具有獨(dú)特的鐵電性、壓電性、介電性、熱釋電性以及非線性光學(xué)等性能, 在現(xiàn)代微電子、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、信息存儲(chǔ)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景, 已經(jīng)成為當(dāng)前新型功能材料研究的熱點(diǎn)之一。因此，鐵電薄膜的制備、結(jié)構(gòu)及性能的研究是目前國(guó)際上高度關(guān)注的研究課題。但鐵電薄膜在制備過(guò)程中經(jīng)歷的從高溫到低溫過(guò)程，薄膜材料和基底材料間的晶格失配和熱失配等，使得薄膜內(nèi)不可避免的存在殘余應(yīng)力。因此鐵電薄膜殘余應(yīng)力研究是關(guān)于鐵電薄膜制備和性能研究的重

2、要內(nèi)容。本文介紹了具有鉍層狀類(lèi)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍釹(BNT)薄膜的化學(xué)溶液沉積(CSD)法制備、及其微觀結(jié)構(gòu)與鐵電性能的表征，著重探討了BNT、鋯鈦酸鉛(PZT)鐵電薄膜殘余應(yīng)力的X射線衍射(XRD)測(cè)量和分析。主要結(jié)論包括： 1. 用化學(xué)溶液沉積法制備Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)薄膜，表征了不同制備工藝參數(shù)下BNT薄膜的微觀結(jié)構(gòu)與鐵電性能。改變退火溫度，發(fā)現(xiàn)分別在空氣中750 0C和氧氣中700 0C退火的B

3、NT薄膜具有最高的剩余極化強(qiáng)度。當(dāng)使用快速熱處理爐退火，增加退火時(shí)間（＜180 s時(shí)），可有效提高BNT薄膜極化強(qiáng)度和減小矯頑電壓。薄膜只有達(dá)到一定厚度方可表現(xiàn)出良好的鐵電性能。只甩膜兩次的BNT薄膜漏電流過(guò)大。所制備的BNT薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的抗電疲勞性能，經(jīng)過(guò)109次的±5V脈沖翻轉(zhuǎn)并沒(méi)有發(fā)生疲勞。 2. 用X射線衍射的傳統(tǒng)sin2 ψ法測(cè)量了BNT薄膜的表面殘余應(yīng)力，得到BNT薄膜的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，并且隨著退火溫度的升高而減

4、小。當(dāng)殘余拉應(yīng)力減小時(shí)，剩余極化強(qiáng)度增大。剩余極化強(qiáng)度相對(duì)殘余應(yīng)力的變化趨勢(shì)與朗道－德文希爾唯象理論討論所得的理論結(jié)果相符。 3. 用XRD技術(shù)測(cè)量了由CSD法制備的Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT)鐵電薄膜的殘余應(yīng)力?？紤]薄膜固有的各向異性、電力耦合效應(yīng)，我們提出擴(kuò)展的sin2 ψ法，用于測(cè)量PZT鐵電薄膜的表面殘余應(yīng)力。同時(shí)基于細(xì)觀力學(xué)，考慮鐵電薄膜各向異性、電力耦合、多晶取向和基底效應(yīng)對(duì)殘余應(yīng)力的影響，針對(duì)PZ

5、T薄膜，提出了取向平均模型，用于測(cè)量鐵電薄膜的界面殘余應(yīng)力。根據(jù)應(yīng)力在厚度方向的指數(shù)分布函數(shù)，估算了薄膜的表面殘余應(yīng)力。不管在界面還是表面，所制備的PZT薄膜的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，隨著退火溫度的升高，PZT薄膜的殘余應(yīng)力減小，并且在界面處的殘余應(yīng)力遠(yuǎn)大于薄膜的表面殘余應(yīng)力，說(shuō)明所制備的PZT薄膜的可能結(jié)構(gòu)破壞為界面剝離。通過(guò)比較傳統(tǒng)sin2 ψ法、擴(kuò)展的sin2 ψ法及取向平均模型所測(cè)PZT鐵電薄膜在表面處的殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)三種模型結(jié)果接近