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PZT压电薄膜的改性研究

作　者: 邵春玉
导　师: 王兢
学　校: 大连理工大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: PZT 压电薄膜掺杂铁电特性压电特性
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 371次
引　用: 1次
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内容摘要

锆钛酸铅（PZT）薄膜是一种新颖的功能材料，它具有优良的电性能而引起国内外学者的广泛关注，成为国际上器件研究的新热点。PZT薄膜广泛应用于微电子学、光电子学、微电子机械系统等领域，可作为铁电存储器、传感器、声表面波器件和各种精密仪器控制部分的理想材料。特别是PZT压电薄膜作为微传感及驱动器件应用时的高灵敏度和高输出应变的特点使其成为微机电系统器件（MEMS）最有前途的候选材料之一。本论文的内容是关于用于压电微力传感器的PZT薄膜的制备及掺杂改善薄膜性能的研究。本论文采用溶胶-凝胶（Sol-Gel）法，在Pt／Ti／SiO₂／Si衬底上制备了不同Zr／Ti比以及Zr／Ti比为53／47时未掺杂和掺杂Eu³⁺、Mn²⁺的PZT压电薄膜，并对薄膜的微结构和电性能进行了表征及分析。分析结果表明：对未掺杂的PZT薄膜，薄膜的前烘温度对微结构影响比较大，前烘温度不同能够改变薄膜的择优取向；而退火温度对薄膜电性能的影响比较大。对不同Zr／Ti比的PZT薄膜的研究中发现，PZT薄膜的微结构和电性能具有强烈的组分依赖性。PZT（53／47）薄膜的各项电性能明显优于其他组分的薄膜。掺杂适量的Eu和Mn后，薄膜的铁电、压电和介电特性均有明显的改善。掺杂1.5mol％Eu的PZT薄膜，其剩余极化值P_r=28.8μC／cm²，d₃₃=13.8pm／V，比未掺杂薄膜的值提高了近一倍。Mn掺杂的机理比较特殊，当Mn含量较少时，Mn离子将以Mn²⁺和Mn³⁺的方式优先替代晶格中Pb位，使材料的压电性能提高，表现出施主掺杂的特性；当Mn浓度变大时，部分Mn将主要以Mn³⁺的方式占据Zr（Ti）位，同时表现出“软性”和“硬性”掺杂的特性。通过对未掺杂PZT、Eu-PZT以及Mn-PZT薄膜的分析研究，较深入地探讨了热处理温度、不同组分、Eu³⁺和Mn²⁺掺杂浓度等对PZT薄膜的择优取向、表面形貌和电学特性的影响，并初步分析了所产生影响的内部机理。通过以上研究制备的Eu-PZT薄膜的压电铁电特性提高最大，能满足作为压电薄膜传感器的要求。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-17
  1.1 晶体的压电性质  9-11
  1.2 PZT薄膜的应用  11-12
  1.3 PZT薄膜的研究进展  12-16
  1.4 课题研究的意义及本文的主要研究内容  16-17
2 PZT压电薄膜的制备和表征技术  17-24
  2.1 PZT薄膜的制备技术  17-18
  2.2 溶胶-凝胶法制备PZT薄膜  18-19
  2.3 电极的制备  19-21
    2.3.1 衬底(底电极)的制备和清洗  19-20
    2.3.2 上电极的制备  20-21
  2.4 结构和形貌表征技术  21-22
  2.5 电学性质测试技术  22-24
    2.5.1 电压—电流性能测试  22
    2.5.2 铁电性能测试  22
    2.5.3 介电性能测试  22
    2.5.4 压电性能测试  22-23
    2.5.5 薄膜厚度的测量  23-24
3 制备和工艺对PZT薄膜性能的影响  24-37
  3.1 不同热处理温度PZT薄膜的制备  24-25
  3.2 前烘温度对薄膜微结构的影响  25-30
    3.2.1 热分析基础  25-26
    3.2.2 PZT溶胶的DSC-TG分析  26-27
    3.2.3 不同前烘温度PZT薄膜的XRD分析  27-28
    3.2.4 退火温度对PZT薄膜微结构的影响  28-30
  3.3 工艺条件对铁电性能的影响  30-32
  3.4 热处理温度对漏电流的影响  32-34
  3.5 Sol-Gel取向PZT薄膜的成膜机制  34-36
  3.6 本章小结  36-37
4 组分对PZT薄膜微结构和电性能的影响  37-50
  4.1 不同组分薄膜的微结构分析  38-41
    4.1.1 表面形貌分析  38
    4.1.2 不同组分薄膜的结晶择优取向  38-41
  4.2 不同锆钛比对薄膜电学性能的影响  41-47
    4.2.1 铁电特性  41-43
    4.2.2 漏电流特性  43-44
    4.2.3 介电特性  44-47
  4.3 不同组分对薄膜压电性能的影响  47-49
  4.4 本章小结  49-50
5 Eu掺杂对PZT薄膜微结构和电性能的影响  50-60
  5.1 Eu-PZT薄膜的制备  50
  5.2 Eu-PZT薄膜的取向性和微结构分析  50-52
  5.3 Eu掺杂对薄膜电学性能的影响  52-57
    5.3.1 铁电特性  52-54
    5.3.2 漏电流特性  54-55
    5.3.3 介电特性  55-57
  5.4 Eu掺杂对PZT薄膜压电性能的影响  57-58
  5.5 本章小结  58-60
6 Mn掺杂对PZT薄膜微结构和电性能的影响  60-71
  6.1 Mn-PZT薄膜的制备  60-61
  6.2 Mn离子掺杂分析  61-62
    6.2.1 Mn的溶解度  61
    6.2.2 Mn离子价态  61-62
    6.2.3 内偏置场的影响  62
  6.3 Mn-PZT薄膜的微结构和取向性分析  62-64
  6.4 Mn掺杂对PZT薄膜电学性能的影响及其分析  64-67
    6.4.1 铁电特性  64-65
    6.4.2 漏电流特性  65-66
    6.4.3 介电特性  66-67
  6.5 Mn对PZT薄膜压电性能的影响  67-68
  6.6 Mn离子占位分析  68-69
  6.7 本章小结  69-71
结论  71-72
参考文献  72-76
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  76-77
致谢  77-78
大连理工大学学位论文版权使用授权书  78

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