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PbNb_x(Zr_(0.2)Ti_(0.8))O_3/BiFeO_3多层薄膜织构及电性能研究

作　者: 李晓亮
导　师: 费维栋
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 铁电多层膜 混合织构 热释电性能 红外探测器
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


ABO3型钙钛矿结构的铁电体具有众多突出的物理性能,例如压电性能、铁电性能和热释电性能等,其在红外传感器、变频器和存储器方面具有重要的应用背景。由于其与半导体在结构上有很大差异,不可避免的会产生界面反应和某些致命缺陷,从而极大的限制了ABO3型钙钛矿铁电体在集成领域中的应用。近年来人们通过添加种子层、缓冲层或者直接将某几种铁电薄膜材料复合在一起的方法,达到改善铁电薄膜性能的目的。本文以具有ABO3钙钛矿结构的PbNbx(Zr0.2Ti0.8)O3和BiFeO3薄膜为研究对象,首先探讨了Nb掺杂量不同对PNZT薄膜电性能及织构的影响情况,进而研究了BFO薄膜的相组成及织构,在此基础上,将上述两种材料复合成具有较高热释电系数的PNZT/BFO/PNZT多层膜,研究复合薄膜的相组成、织构及电性能。实验过程中,采用溶胶-凝胶工艺制备了BiFeO3和Nb掺杂量不同的PbNbx(Zr0.2Ti0.8)O3薄膜,通过改变工艺参数来控制BFO薄膜的结晶程度和PNZT薄膜的织构类型,进而将BFO薄膜与PNZT薄膜复合成三明治结构的多层膜,采用X射线?扫描和?扫描技术表征复合薄膜的织构类型及相对织构含量。通过对两种单层薄膜和三种类型复合薄膜的研究发现,242型和363型复合薄膜中存在BFO的（010）和（111）混合织构,同时存在PNZT的（100）和（111）混合织构,且复合薄膜中BFO层均以（010）织构为主要织构类型,PNZT层均以（111）织构为主要织构类型。对于复合薄膜中BFO层而言,由于其（010）面与PNZT层平行排列时表面能较低,所以BFO层以（010）织构为主;对PNZT层而言,由于Pt衬底具有高度（111）择优取向,PNZT层（111）面与Pt衬底平行排列弹性能较低,所以PNZT层以（111）织构为主要织构类型。Nb掺杂量不同的363型复合薄膜具有良好的铁电性能,而且当外加电场强度为175kV/cm时,电滞回线呈双回线现象;3%Nb掺杂复合薄膜具有较小的剩余极化强度和矫顽场,且此薄膜介电常数、介电损耗和漏电流密度都明显小于其余Nb掺杂薄膜;通过对复合薄膜电容-电压特性曲线研究发现,由于BFO层矫顽场低于PNZT层矫顽场,所以随外场强度增加,BFO层铁电极化翻转先于PNZT层,当外场达到一定强度时,BFO层与PNZT层铁电极化同时翻转,出现双铁电现象;363型复合薄膜漏电流极低;通过对不同Nb掺杂363型复合薄膜热释电性能研究发现,当掺杂量为2%时,薄膜具有优良的热释电性能,热释电系数和探测优值分别高达940μC/cm2K和253μc/cm2K。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-23
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  10-14
    1.1.1 背景  10-11
    1.1.2 钙钛矿型铁电体晶体结构及微观机制  11-13
    1.1.3 铁电体的畴结构  13-14
  1.2 热释电原理及应用  14-16
  1.3 热释电薄膜材料体系  16-17
  1.4 PNZT 铁电薄膜的电性能  17-20
  1.5 BFO 铁电薄膜的电性能  20-21
  1.6 多层铁电薄膜研究概况  21-22
  1.7 本文主要研究内容  22-23
第2章 实验材料的制备及主要分析方法  23-28
  2.1 实验材料及方法  23-24
    2.1.1 衬底材料的选择  23
    2.1.2 PNZT 溶胶和BFO 溶胶的制备材料  23-24
  2.2 薄膜材料的制备  24-25
    2.2.1 薄膜材料制备流程  24-25
    2.2.2 主要工艺参数  25
  2.3 顶电极的制备工艺参数  25-26
  2.4 实验研究方法  26-28
    2.4.1 X-ray 衍射分析  26
    2.4.2 X 射线?扫描及?扫描分析  26
    2.4.3 扫描电镜组织形貌观察  26-27
    2.4.4 电性能的测量  27-28
第3章 物相和组织结构  28-41
  3.1 引言  28
  3.2 BFO 薄膜物相及组织结构  28-30
  3.3 PNZT 薄膜物相及组织结构  30-32
  3.4 PNZT/BFO/PNZT 多层薄膜物相及组织结构  32-40
    3.4.1 1x1 型多层复合薄膜物相及组织结构  32-34
    3.4.2 242 型多层复合薄膜物相及组织结构  34-37
    3.4.3 363 型多层复合薄膜物相及组织结构  37-40
  3.5 本章小结  40-41
第4章 PNZT/BFO/PNZT 复合铁电薄膜织构研究  41-54
  4.1 引言  41
  4.2 混合织构的定量分析方法  41-42
  4.3 PNZT 薄膜的混合织构研究  42-44
  4.4 复合薄膜混合织构研究  44-52
    4.4.1 242 型复合薄膜混合织构  44-48
    4.4.2 363 型复合薄膜混合织构  48-52
  4.5 本章小结  52-54
第5章 PNZT/BFO/PNZT 多层膜的电性能  54-76
  5.1 引言  54
  5.2 BFO 和PNZT 薄膜的电性能  54-60
    5.2.1 BFO 薄膜的电性能  54-56
    5.2.2 PNZT 薄膜的电性能  56-60
  5.3 复合薄膜的电性能  60-74
    5.3.1 1x1 型复合薄膜电性能  60-62
    5.3.2 242 型复合薄膜电性能  62-67
    5.3.3 363 型复合薄膜电性能  67-74
  5.4 本章小结  74-76
结论  76-78
参考文献  78-84
致谢  84

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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