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铅基铁电薄膜材料在热、电载荷作用下的疲劳特性

言智  
【摘要】: 铁电材料由于具有铁电特性和压电特性而在信息储存、通信、 导航、精密测量、机械等众多领域得到广泛的应用。随着微电子技 术和器件高度集成化的发展,人们对薄膜材料性能的要求越来越高, 因此铁电薄膜材料的制备和性能研究成为目前国际上高度关注的研 究课题。然而铁电薄膜在使用过程中存在疲劳问题,它会不可避免 地受外界环境以及自身工作条件的影响,即经历外界温度的循环和 存储过程中不断的极化反转后其性能将发生变化。本文对铁电薄膜 在循环的热载荷和电载荷作用下的疲劳特性进行了研究,分别用 Nd:YAG脉冲激光器模拟热载荷、用RT6000S铁电测试仪模拟电载 荷作用于铁电薄膜,根据实验结果探讨了这两种载荷对铁电薄膜性 能的影响。 本文首先介绍了铁电薄膜材料的应用前景、优良性能、制备方 法和研究现状,由此提出了本文的选题依据。然后采用金属有机物 热分解法制备出作为研究对象的锆钛酸铅Pb(zr,Ti)O_3(PZT)薄膜,用 X射线衍射仪、扫描电镜和RT6000S铁电测试仪测量表征铁电薄膜。 接着用激光模拟热载荷作用在PZT薄膜上,发现薄膜的剩余极化变 小,矫顽电压不变,铁电疲劳衰减率降低。分析这一现象产生的主 要原因,是激光热作用影响铁电薄膜材料内部的极化分子和带电荷 缺陷的运动所致。重复多次激光作用后,观察其形貌,发现薄膜出 现界面裂纹,这与郑学军用激光热疲劳模型预测的结果一致。然后 用RT6000S测试仪加载电载荷,总结得出PZT薄膜的铁电疲劳规 律,即加载电压增加或加载频率降低时,铁电极化衰减程度变大。 接着参考Dawber和Scott的空间电荷理论,加入对损耗宽度的修正, 拟合出铁电薄膜的电载荷加载疲劳模型。并且我们发现修正的损耗 层宽度与铁电疲劳极化衰变50%的循环次数值[N(50%)]有一定关 系,可以用这个关系预测铁电薄膜的使用寿命。


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