Sol-Gel法制備的PLZT薄膜的光電特性研究.pdf

1、鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)材料具有介電常數(shù)大、自發(fā)極化強(qiáng)、電光系數(shù)高、與現(xiàn)有的集成工藝相兼容等特點(diǎn)，因而在集成鐵電學(xué)以及集成光學(xué)特別是光通信器件領(lǐng)域有著非常好的應(yīng)用前景。PLZT材料可以用于制作光通信器件，如高速光開關(guān)、可調(diào)諧濾波器以及寬帶光調(diào)制器等。在過去的二三十年里，PLZT鐵電薄膜在得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，人們也發(fā)現(xiàn)了PLZT薄膜存在著不少問題，比較突出的有幾個(gè)方面，如：薄膜沉積溫度高、易開裂、疲勞特性差、電光性能與塊狀PLZT材料相去甚

2、遠(yuǎn)等。 因此，與PLZT鐵電薄膜在集成鐵電微電子器件方面的應(yīng)用相比，PLZT鐵電薄膜在集成光電子器件方面的應(yīng)用始終不盡如人意。前者在上世紀(jì)90年代中期就已經(jīng)出現(xiàn)商業(yè)化的產(chǎn)品，而后者到目前為止還處在模型器件的研究階段。主要原因有兩個(gè)：一是PLZT薄膜加工工藝要求較高，難以刻蝕，從而導(dǎo)致器件的損耗較大：二是PLZT薄膜的光學(xué)性能，特別是電光系數(shù)，與薄膜組分、微觀結(jié)構(gòu)以及制備工藝等因素密切相關(guān)，即使是同一組分，由于采用不同的制備方法或

3、工藝，得到的參數(shù)也不盡相同，有時(shí)甚至相差一個(gè)量級(jí)以上。這就給器件的研制以及大規(guī)模生產(chǎn)帶來了極大的困難。 在Pt/Ti/Si02/Si襯底上沉積的PLZT薄膜，疲勞問題比較突出。雖然采用氧化物如YBCO、LaNi03等作為電極代替Pt(鉑金)電極，可以改善PLzT鐵電薄膜的疲勞特性，但是，采用氧化物電極需要更高的沉積溫度，并且PLZT薄膜的介電損耗有所增大。在工業(yè)應(yīng)用上，目前廣泛使用的電極仍然是Pt電極，因此，如何提高以Pt電極為

4、襯底的PlZT薄膜的疲勞特性，非常值得研究。 PLZT薄膜的性能與晶粒的取向有直接的關(guān)系。擇優(yōu)取向PLZT薄膜的性能比隨機(jī)取向的薄膜的性能要優(yōu)越得多，當(dāng)前，擇優(yōu)取向的PlZT薄膜成為研究熱點(diǎn)之一。 本文主要對(duì)PlZT薄膜的制備及其介電、鐵電性能以及電光系數(shù)的測(cè)量等進(jìn)行深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)采用溶膠．凝膠(SO1-Gel)法制備PLZT薄膜的關(guān)鍵工藝進(jìn)行摸索，如：當(dāng)薄膜厚度較厚時(shí)，如何避免退火過程中PLZT的開裂問題。通

5、過合理的工藝過程，制備出性能優(yōu)異、面積大的PLZT薄膜，具有高度擇優(yōu)取向、剩余極化大、矯頑場(chǎng)低等特點(diǎn)，同時(shí)具備較高的透明度和電光系數(shù)。借助X射線衍射技術(shù)(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)，分析PLZT薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，詳細(xì)討論了薄膜組分、薄膜厚度、襯底材料以及退火溫度對(duì)PLZT薄膜介電、鐵電和光學(xué)性能的影響。 本文首先回顧、總結(jié)了PLZT的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀。介紹了與介電、鐵電以及電光效應(yīng)相關(guān)的理論知識(shí)及研究成果，包括自發(fā)極化、

6、電疇和疇壁運(yùn)動(dòng)及其對(duì)PLZT薄膜介電、鐵電和光學(xué)參數(shù)的影響，簡(jiǎn)要介紹了PLZI薄膜的制備方法以及研究手段，描述了PLZT薄膜在集成鐵電學(xué)以及集成光學(xué)方面的重要應(yīng)用。 以鍍有氧化銦錫(JTo)的普通玻璃為基底，在580℃相對(duì)較低的退（La)火溫度下成功制備出(110)擇優(yōu)取向的PLT鐵電薄膜，討論了摻鑭(La)量以及薄膜厚度對(duì)PLT薄膜的介電和光學(xué)性能的影響。采用分步退火的辦法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的一次性退火，有效地解決了PLT‘厚膜在退火過

7、程中的開裂問題。 本文第二蘋將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述。以Pt／Ti／SiO<,2>／Si為基底，在650℃退火溫度下成功制備出純鈣鈦礦相的PZT薄膜，詳細(xì)研究了鋯／鈦(Zr／Ti)比對(duì)PZT薄膜的結(jié)構(gòu)、介電和鐵電性能的影響。利用多層膜技術(shù)，在PZT的相界附近觀察到了介電增強(qiáng)效應(yīng)。采用過渡層，得到高度(111)擇優(yōu)取向的PZT薄膜，大大改善了PZT薄膜的介電及鐵電性能，特別是PZT薄膜的疲勞問題，也得到明顯改善。這些內(nèi)容在第三、四章給予

8、詳盡論述。 以Pt／Ti／Si02／Si為基底，在700℃退火溫度下成功制備出純鈣鈦礦相的PLZT薄膜，詳細(xì)研究了鋯／鈦(Zr／Ti)比和摻鑭(La)量對(duì)PLZT薄膜的結(jié)構(gòu)、介電和鐵電性能的影響。作為比較，以ITO為基底，在550℃退火溫度下制備出(110)擇優(yōu)取向的PLZT薄膜。本文第五章將予以描述。 在PLZT薄膜的光學(xué)性能方面，以ITO為基底的PLZT為對(duì)象，討論了摻La量以及Zr／Ti比對(duì)PLZT薄膜的折射率及透

9、射率的影響。為了研究PLZT薄膜的電光效應(yīng)，課題組以邁克爾遜干涉原理為基礎(chǔ)，利用光纖干涉技術(shù)自行建立了一套PLZT薄膜線性電光系數(shù)γ<,13>的測(cè)量裝置，并給出了Zr／Ti比以及摻La量對(duì)PLZT薄膜線性電光系數(shù)γ<,13>的影響。本文將在第六章對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述。 綜上所述，采用Sol-Gel法，以Pt／Ti／SiO2／Si或ITO為襯底，都能獲得高質(zhì)量的PLZT薄膜。其中，以Pt／Ti／SiO2／Si為襯底的PLZT薄膜，在6

10、50℃左右的退火溫度下保溫一小時(shí),能夠獲得純鈣鈦礦相或高度(111)擇優(yōu)取向的PLZT薄膜。以ITO為襯底的PLZT薄膜，在小于600℃的退火溫度下保溫一小時(shí)，能夠獲得(110)取向的PLZT薄膜。當(dāng)Zr含量較低時(shí)，PLZT薄膜是純鈣鈦礦相的，而zr含量較高時(shí)，PLZT薄膜中則含有焦綠石相。以IT0為襯底的PLZT薄膜的介電和鐵電性能都要比Pt／Ti／SiO2／Si為襯底的PLZT薄膜差一些，即便如此，以ITO為襯底的PLZT薄膜的電光