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弛豫铁电薄膜PMN-0.26PT的制备及其性能的研究

田玥  
【摘要】:铁电薄膜材料具有良好的压电性,铁电性,热释电性,电光及非线性光学特性等,可广泛地应用于微电子学,光电子学,集成铁电学和微电子机械系统等,成为国际上新型功能材料与集成器件的研究热点。随着薄膜制备技术的不断发展,目前已经制成微传感器、FRAM器件、DRAM器件、热释电红外探测器、空间光调节器、光盘存储器、光波导器件等大量器件。 铌镁酸铅(PMN)是典型的驰豫型铁电体,钛酸铅(PT)是四方晶系的正常强铁电体。(1-x)Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3-x)PbTiO_3(简称PMN-PT)是由PMN和PT复合形成的二元连续固溶体。PMN-PT的高温时为顺电相结构,随着温度的降低和PT含量的变化,呈现出从四方到三方的铁电相变化。在PT含量为30%-35%范围内存在一准同型相界(MPB),PT含量低于MPB者为三方结构,高于相界者为四方结构,在相界处,三方、单斜、正交和四方等多相结构共存。在MPB附近区域的PMN-PT具有优异的性能,因此一直是人们关注的焦点及研究热点。 本文主要采用磁控溅射的方法,通过使用不同的缓冲层(如镍酸镧,钴酸锶镧),分别在Si和Pt/Ti/SiO_2/Si衬底上制备了PMN-0.26PT薄膜。通过优化缓冲层的制备工艺,包括改变衬底与靶的距离、功率、气氛、压强、沉积温度和溅射时间等,得到了纯钙钛矿结构的择优取向薄膜。我们分别从结构和性能两个方面对PMN-0.26PT薄膜进行了系统地研究。在结构方面,在LNO/Si和LSCO/Pt/Ti/SiO_2/Si衬底上分别得到了(110)和(100)择优取向的薄膜。在性能方面,分别从介电、铁电、热释电和光学四个方面进行了深入研究并得到了一系列重要的性能参数。在LNO/Si衬底上,我们分析了衬底温度对薄膜结构和性能的影响。在生长温度为500oC时,PMN-PT薄膜具有更为均匀致密的表面结构和更大的热释电系数及光学常数。我们测得薄膜的介电常数为470,损耗值为0.04,剩余极化值为17.2μC/cm~2,热释电系数为3.1×10~(-4) C/m~2 K,折射率为2.41,禁带宽度为3.22eV等。另一方面在LSCO/Pt/Ti/SiO_2/Si衬底上,我们也得到了薄膜在500oC下具有优异的性能。具体地性能参数表现为介电常数达到3500,损耗值为0.14,剩余极化值高达37μC/cm~2,热释电系数为9.4×10~(-4) C/m~2 K。这些优值表明,PMNT薄膜可以应用在热释电红外探测器和存储器等方面,较大的剩余极化值也使其有望取代传统的PZT薄膜。


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