磁控溅射BZT-BCT基薄膜的结构与电性能

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong445
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Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3(简称BZT-BCT)因其在准同型相界(Morphotropic Phase Boundary,MPB)的超高压电性能成为近几年的研究热点,对于该体系的薄膜材料研究也逐渐发展起来。目前报道的BZT-BCT薄膜最大压电系数只有141pm/V,与理论预测190~250pm/V还有较大差距。制备氧空位缺陷少、具有强烈择优取向的薄膜从而提高薄膜电性能已经成为现阶段BZT-BCT薄膜研究的主要内容。此外,国内外对于BZT-BCT复合薄膜关注较少,该领域研究几乎为零。本论文正是基于这些研究方向和研究空白开展工作,在磁控溅射制备薄膜基础上,通过溅射时通入氧气,向薄膜中引入种子层,优化种子层的结晶方式,与CaCu3Ti4O12(CCTO)进行复合等方法和手段改善薄膜质量,提高薄膜电性能。本文利用升温(衬底温度为500℃)双靶(BZT靶和BCT靶)磁控溅射法成功共溅射了厚度在220~300nm范围的BZT-BCT薄膜。溅射薄膜时通入氧气,随着通氧量的增加,沉积态薄膜的晶粒尺寸减小,粗糙度降低,薄膜的厚度逐渐减小。X射线衍射(XRD)分析表明,薄膜结晶程度随着溅射时通氧量的增加而降低。分别采用传统退火(CTA)和快速退火(RTA)处理BZT-BCT薄膜,XRD分析表明退火态BZT-BCT薄膜结晶完全。随着溅射时通氧量的增加,退火态薄膜中的氧空位减少,薄膜的质量提高,从而提高了薄膜的铁电和介电性能。当通氧量为30时,RTA退火态BZT-BCT薄膜的电畴平均尺寸为256nm,压电系数d33为213.2pm/V,剩余极化为6.9μC/cm2,1kHz时介电常数为954;CTA退火态BZT-BCT薄膜电畴平均尺寸为177nm,压电系数d33高达273.7pm/V,剩余极化为7.3μC/cm2,1kHz时的介电常数为128。向BZT-BCT薄膜中分别引入LaNiO3(LNO)和SrTiO3(STO)种子层。当种子层与薄膜共同晶化时,薄膜的相结构与无种子层薄膜的相结构一致,都没有明显的择优取向。当种子层先结晶时,BZT-BCT/LNO薄膜出现(100)织构,BZT-BCT/STO薄膜出现(111)织构,有织构薄膜的晶粒尺寸更小,粗糙度更低。加入LNO种子层,薄膜的压电性能和铁电性能基本不变,加入STO种子层大大提高了薄膜的铁电性能,BZT-BCT的剩余极化强度由6.9μC/cm2提高到31.6μC/cm2。本文对CCTO/BZT-BCT复合薄膜的结构和性能进行了研究。向CCTO/BZT-BCT复合薄膜中分别引入LNO种子层和STO种子层,XRD衍射分析表明,LNO种子层抑制了CCTO/BZT-BCT/LNO薄膜中CCTO的结晶,而STO种子层促进了CCTO/BZT-BCT/STO薄膜中CCTO的结晶。压电力原子显微镜(PFM)分析结果显示,非晶态CCTO中存在明显的铁电畴,在CCTO/BZT-BCT/LNO复合薄膜中,电畴大小为190nm,在CCTO/BZT-BCT/STO薄膜中,电畴大小为256nm。复合薄膜在不同退火温度下结晶处理,发现CCTO不结晶情况下,复合薄膜的剩余极化最大。
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