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化学溶液沉积工艺制备无铅铁电K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3 薄膜的结构和性能研究

王玲艳  
【摘要】:铅基铁电/压电材料因其具有优异的压电性能和组分可调节性的优点,长期以来一直占据着电子元器件的主要市场。然而它们的制备过程中需要使用大量的含铅氧化物作为原料,在生产、使用及废弃后处理过程中都会给人类和生态环境带来严重危害。近年来,世界各国都相继出台了各种法规法令,禁止有毒物质的使用,其中铅被列为限制使用的有害物质之一。因此,研制无铅化、环境协调性好的压电材料及其制品成为一项紧迫且具有重大现实意义的课题。在众多无铅压电体系中,铌酸钾钠K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3 (KNN)因其高的居里温度、高的压电系数和电机耦合系数成为最有希望的候选材料之一。另外,随着微电子机械系统、集成传感器和换能器等的不断发展,压电薄膜的研究也引起了广泛关注。因此,本论文就化学溶液沉积(CSD)工艺制备的无铅铁电铌酸钾钠KNN薄膜的结构和性能进行研究。 本文首先采用传统的CSD方法,即用未改性的先驱体溶液制备KNN薄膜,研究发现该工艺制备的KNN薄膜无法得到具有良好形状的电滞回线,介电性能也很差。然而将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)引入KNN先驱体溶液后,采用CSD方法制备的KNN薄膜,当厚度为3.5μm时,得到了优良的电学性能,介电常数高达800-900,介电损耗为5-7 %,也得到了具有良好形状的电滞回线,剩余极化强度高达16.4μC/cm~2,用激光扫描振动仪得到的有效径向压电系数高达61 pm/V。 通过研究厚度对KNN薄膜结构和性能的影响,发现在KNN薄膜中,1.3和2.5μm之间存在一个临界厚度值,当KNN薄膜的厚度低于该值时,介电、铁电和压电性能较差,当厚度高于该临界值,电学性能显著提高,而且在临界值之上,KNN薄膜的电学性能达到饱和。残余应力的分析中发现厚度较小的KNN薄膜,残余应力表现为张应力,而当厚度增大时则突变为压应力,并且压应力随着薄膜厚度的增大而逐渐减小。① 由于PVP对优化KNN薄膜性能的重要作用,采用热重-差热(TGA-DSC)分析、热重-质谱(TG-MS)联用技术以及X-射线光电子能谱(XPS)分析,研究PVP对KNN的影响机理。实验得出适宜分子量(360,000)PVP的引入可以降低KNN的结晶温度,减少碱金属离子的缺失,从而促进KNN钙钛矿相的形成,电学性能的提高。大分子量(1,300,000)PVP的引入,因导致KNN薄膜多孔微观结构的形成而造成电学性能劣化,而小分子量(29,000和55,000)PVP的引入非但没有减少碱金属离子的缺失,提高KNN薄膜的电学性能,反而因其燃烧产生的大量热加速了碱金属离子的挥发,导致了二次相的出现。通过TGA-MS的分析结果得出了KNN体系中碱金属离子的大量挥发其实是发生在KNN钙钛矿相形成之前300-500℃的温度范围内,而且主要以碱金属离子的亚氧化物(KO和NaO)的形态挥发。除此之外,也发现PVP的引入有效抑制了碱金属离子在钙钛矿相形成后的挥发。在TGA-MS的分析中,也发现了对KNN体系来说,无论是否经过PVP改性,Na~+离子的缺失总是较K~+离子更严重,以致于二次相总是以钾的铌酸盐的形式出现。 分子量为360,000的PVP的改性大大提高了KNN薄膜的电学性能,然而优良的电学性能只在厚度大于2μm的情况下观察到。为了使KNN薄膜在厚度较小的情况下也能得到良好的铁电性能,将金属离子Mn~(2+)和Co~(2+)分别引入了KNN体系中。实验发现,2 mol% Mn和2mol% Co掺杂的KNN薄膜,当厚度为1.3-1.6μm时得到了优良的电学性能,尤其是铁电性能。2 mol% Mn掺杂的KNN薄膜,介电常数为521,剩余极化强为7.2μC/cm~2;2mol% Co掺杂的KNN薄膜,介电常数为629,剩余极化强度为7.5μC/cm~2。掺杂后KNN薄膜电学性能的提高是因为Mn~(2+)和Co~(2+)离子的引入有利于KNN钙钛矿相的形成和漏电流密度的降低。XPS的分析证明了最初引入的Mn~(2+)和Co~(2+)离子在KNN薄膜结晶后被氧化为Mn~(3+)和Co~(3+)离子,并分别占据KNN薄膜钙钛矿结构中的A位和B位。


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