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钛酸铋钠—钛酸钡无铅压电薄膜制备及性能研究

作　者: 张大志
导　师: 郑学军
学　校: 湘潭大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: NBT-BT6 无铅压电薄膜 MOD 退火温度 有效压电系数
分类号: TM282
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


压电材料（例如锆钛酸铅,PZT）由于具有优良的压电性能而广泛应用于微机电系统（MEMS）、微型执行器、传感器和微型马达等方面。当前含有PZT或其它铅物质的压电产品在生产、使用和回收等方面的铅污染问题越来越受到人们的关注,因此基于生物兼容性和环境保护的原因,无铅压电材料被作为PZT材料的替代品而不断引起人们的关注和研究。在各种无铅压电材料中,钛酸铋钠（NBT）由于具有良好的铁电性能而被认为是一种重要的压电材料,但由于其高的矫顽场和漏电流等缺点影响了该材料性能的发挥及应用。先前的研究表明,组分处于准同型相界（MPB）附近的钛酸铋钠基固溶体具有改善的介电性能和压电性能。例如,T. Takenaka等人报道了钛酸铋钠-钛酸钡固溶体陶瓷（NBT-BTx）在组分为x=0.06-0.07时存在MPB,因而具有优异的压电性能。目前的研究主要是集中于钛酸铋钠-钛酸钡单晶和陶瓷的制备及其铁电、介电和压电性能的表征,以及钛酸铋钠-钛酸钡薄膜的制备及其铁电和介电性能的表征;但是至今很少有关于钛酸铋钠-钛酸钡薄膜压电性能的研究报道。综上所述,我们选取组分处于MPB附近的0.94(Na0.5Bi0.5)TiO3-0.06BaTiO3 （NBT-BT6）薄膜作为研究对象并研究其压电性能是具有学术价值和应用前景的。本论文的主要内容如下:1.在第1章中,我们首先简介了压电材料的发展概况及其性质和应用;然后概述了无铅压电材料的研究背景和现状,并着重阐述了钛酸铋钠基无铅压电材料的研究现状。通过以上综述,我们提出了本论文的选题依据和主要内容。2.在第2章中,我们首先简介了金属有机物分解法（MOD）及其制膜所需的仪器和实验材料;然后着重阐述了使用MOD法在Pt/Ti/SiO2/Si（100）基底上制备NBT-BT6薄膜的详细工艺过程。3.在第3章中,我们使用MOD法制备了750°C退火温度下的NBT-BT6薄膜。使用扫描探针显微镜表征了薄膜的压电响应蝴蝶回线,从而获得了薄膜的压电应变和有效压电系数d33。基于以上结果,我们进一步讨论了MPB附近的NBT-BT6薄膜具有高压电性能的机理。4.由于退火温度对薄膜的微结构和性能会产生重要的影响,因此建立在第3章的研究基础上,第4章研究了退火温度（650°C、700°C、750°C和800°C）对NBT-BT6薄膜的微结构以及铁电、介电和压电性能的影响。基于这些实验结果,我们希望通过改变退火温度从而获得具有增强的铁电、介电和压电性能的NBT-BT6薄膜。我们期望当前的研究工作对无铅钛酸铋钠-钛酸钡压电薄膜的设计和应用提供一些有用的指导。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-21
  1.1 压电材料简介  9-11
    1.1.1 压电效应  9-10
    1.1.2 压电材料的主要性能参数  10-11
  1.2 压电材料的发展简史及其性质与应用  11-13
    1.2.1 压电材料的发展简史  11-13
    1.2.2 压电材料的性质与应用  13
  1.3 无铅压电材料的研究现状  13-16
    1.3.1 无铅压电材料的研究背景  13-14
    1.3.2 无铅压电陶瓷体系简介  14-16
  1.4 钛酸铋钠基无铅压电材料的研究现状  16-19
    1.4.1 钛酸铋钠基无铅压电材料的概述  16-18
    1.4.2 钛酸铋钠基无铅压电材料的性质及其应用  18-19
  1.5 本论文的选题依据和主要内容  19-21
    1.5.1 本论文的选题依据  19
    1.5.2 本论文的主要工作  19-21
第2章 NBT-BT6 无铅压电薄膜的制备  21-32
  2.1 MOD 制膜方法简介  21
  2.2 MOD 法制膜所需的仪器及环境要求  21-25
    2.2.1 制膜所需的仪器  21-24
    2.2.2 制膜的环境要求  24-25
  2.3 实验材料  25-26
    2.3.1 衬底的选取和清洗处理  25
    2.3.2 配制前驱液所需的化学药品  25-26
  2.4 MOD 法制备薄膜的工艺过程  26-30
    2.4.1 前驱体溶液的配置流程  26-27
    2.4.2 薄膜制备的工艺流程  27-28
    2.4.3 薄膜表面异物问题的解决  28-29
    2.4.4 薄膜顶电极的制备  29-30
  2.5 本章小结  30-32
第3章 NBT-BT6 无铅压电薄膜微观结构及性能的表征  32-44
  3.1 压电薄膜的表征方法  32-38
    3.1.1 薄膜微观结构的表征方法  32-35
    3.1.2 薄膜性能的表征方法  35-38
  3.2 NBT-BT6 薄膜的微观结构及形貌  38-40
    3.2.1 XRD 与EDS 分析晶体结构和成分  38-39
    3.2.2 AFM 与FE-SEM 分析表面形貌和截面形貌  39-40
  3.3 NBT-BT6 薄膜的电学性能  40-41
    3.3.1 电滞回线测试与模拟  40-41
    3.3.2 介电频谱测试与分析  41
  3.4 压电特性测试与分析  41-43
    3.4.1 SPM 测试压电响应的方法  41-42
    3.4.2 压电D-V 曲线和d_(33)~ -V 回线测试与分析  42-43
  3.5 本章小结  43-44
第4章 退火温度对NBT-BT6 压电薄膜微观结构及性能的影响  44-51
  4.1 退火技术简介  44
  4.2 退火温度对NBT-BT6 薄膜的微观结构及形貌的影响  44-46
    4.2.1 XRD 分析晶体结构  44-45
    4.2.2 AFM 与FE-SEM 分析表面形貌和截面形貌  45-46
  4.3 退火温度对NBT-BT6 薄膜的电学性能的影响  46-48
    4.3.1 电滞回线测试与分析  46-47
    4.3.2 介电频谱测试与分析  47-48
  4.4 退火温度对NBT-BT6 薄膜压电性能的影响  48-50
  4.5 本章小结  50-51
第5章 总结和展望  51-53
  5.1 论文总结  51-52
  5.2 工作展望  52-53
参考文献  53-57
致谢  57-58
攻读硕士期间发表的论文  58

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电工材料 > 电工陶瓷材料 > 压电陶瓷材料
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