组成对锆钛酸铅铁电薄膜电性能影响的研究进展

锆钛酸铅材料因具有优异的介电、压电和铁电性被广泛用于制作电容器、压电器件和铁电随机存储器等功能器件.本文综述了锆钛酸铅铁电薄膜材料中锆钛比、掺杂种类及掺量对其介电性和铁电性的影响,并提出了亟待解决的问题.     

锰锑酸铅-锌铌酸铅-锆钛酸铅陶瓷的铁电性能

通过电滞回线测试,探讨了xPb(Mn1/3Sb2/3)0.05(Zr1/2Ti1/2)0.95O3(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)0.28(Zr1/2Ti1/2)0.72O3[xPMnS-(1-x)PZN]陶瓷的铁电性能及铁电相变特性.同时研究了Ba2 取代Pb2 对材料铁电性能的影响.结果表明;三方相含量较高的0.2PMnS-0.8PZN陶瓷具有较高的矫顽场和较大的剩余极化强度;四方相含量较高的0.5PMnS-0.5PZN和0.6PMnS-0.4PZN陶瓷具有较低的矫顽场和较小的剩余极化强度,Ba2 取代使三方相含量增加,铁电性能明显提高.     

锆钛酸铅镧压电陶瓷纤维的制备与性能

以锆钛酸铅镧[(Pb1-xLax)(Zr1-yTiy)O3,lead lanthanum zirconate titanate,PLZT]压电陶瓷为原料,用塑性聚合物法制备不同截面的PLZT陶瓷纤维。用X射线衍射、扫描电镜、密度测试仪、微力试验机和铁电分析仪分别测试PLZT陶瓷纤维的相结构、显微形貌、密度、力学性能和铁电性能。结果表明:PLZT陶瓷纤维为三方相钙钛矿结构,圆柱形纤维的直径和方柱形纤维的边长分别约250μm和300μm。圆柱形和方柱形纤维的最终抗拉伸强度和弹性模量分别为24.88MPa、6.90×103MPa和23.97MPa、5.71×103MPa。PLZT陶瓷纤维均具有良好的铁电性能,圆柱形纤维的饱和场强、剩余极化强度(Pr)和矫顽场(Ec)分别为10kV/mm、41.40μC/cm2和1.10kV/mm;方柱形的饱和场强、Pr及Ec分别为10kV/mm、41.68μC/cm2和1.03kV/mm。     

在ITO玻璃衬底上制备锆钛酸铅铁电薄膜

利用射频反应性溅射沉积技术在掺的Ｓｎ的Ｉｎ２Ｏ３导电透明膜衬底上制备了钙钛矿型Ｐｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）铁电薄膜。研究了沉积参量与热处理工艺对铁电薄膜结构和性能的影响。运用Ｘ射线衍射、Ｘ射线光电子能谱和扫描电镜等技术,分析了薄膜的晶体结构、表面形貌和表面元素化学状态。测量了不同处理条件下薄膜的铁电性能。结果表明：在掺Ｓｎ的Ｉｎ２Ｏ３导电透明膜衬底上可以得到表面无裂纹,化学计量比符合要求的ＰＺ     

锆钛酸铅（PZT）粉体合成的研究进展

锆钛酸铅（PbZrxTi1-xO3,PZT）陶瓷是一类重要的铁电、压电、介电材料,其粉体的相组成、化学组成、热稳定性和烧结活性影响着陶瓷制品的铁电、压电和介电性能。本文详细综述了合成PZT粉体的固相反应法和湿化学方法的发展现状,并对几种合成方法的特点进行了评介,为低温合成纯相PZT粉体和PZT一维纳米结构指出了可能的方法。     

SnO2薄膜对锆钛酸铅光电性能的提升

锆钛酸铅(PZT)铁电薄膜具有良好的铁电–光伏特性,是性能优良的光电器件材料。使用溶胶–凝胶法在单晶硅上制备PZT铁电薄膜,为了增加PZT薄膜的光伏特性,使用气相沉积技术在PZT薄膜表面沉积一层SnO_2半导体薄膜。结果表明:光电转化效率从7.32×10~(–6)提高至2.17×10~(–5),提升了约2倍。SnO2薄膜能够消除电极与PZT之间的Schottky势垒,有效地分离所产生的电子–空穴对,显著增加PZT的光电流,对PZT极化后,使退极化电场与SnO_2/PZT界面电场方向一致,在二者电场的共同作用下,可以进一步分离光生电子–空穴,PZT的光电流提高了1倍。     

热压烧结对锆钛酸铅镧陶瓷电卡效应的影响

探讨热压烧结工艺对PLZT(锆钛酸铅镧)陶瓷材料介电击穿性能、饱和极化强度以及电卡性能的影响。通过X射线衍射和扫描电子显微镜,分析陶瓷样品的相组成和微观结构。结果表明,热压烧结法有助于控制陶瓷晶粒的生长,提高陶瓷的致密度并增大陶瓷的介电击穿场强,从而有效提高陶瓷的电卡性能以及电卡转换效率。在328 K(55℃)与478 K(205℃)附近,分别发生低温铁电三方相到高温铁电三方相的相变(FRL-FRH)以及高温铁电三方相到立方顺电相(FRH-Pc)的相变,展现了比较好的弛豫性,在室温下达到3.6 K的绝热温变与1.8×0-7(K·m)/V的电卡转换效率,具有良好的电卡性能。     

激励方式对锆钛酸铅钡锶压电陶瓷介电性能的影响

采用扎膜工艺和固相反应法制备了(Pb0.70Ba0.26Sr0.04)(Zr0.52Ti0.48)O3(PBSZT)压电陶瓷。通过扫描电子显微镜和X射线衍射表征PBSZT陶瓷的结构和物相组成,用电容介损测试仪表征压电陶瓷的介电性能与激励场强,通过自建电路集成直流电源、标准电容,在低频频率特性测试仪上得到偏场强度对压电陶瓷介电性能的影响关系。结果表明:压电陶瓷材料的介电性能随着加载的电场强度的增大先逐渐升高,而后出现拐点开始降低;在偏压电场中,自由电容CT随正向偏场强度的增加逐渐减小,但随着反向偏场强度的增加逐渐增大。tanδ则随着正、反偏场强度的增加均呈现上升;压电陶瓷的机电耦合系数kp与偏场强度的关系是以0点为界,随着负偏场增强,kp略显下降,反之,随正偏场增强,kp缓慢增大。因此,压电陶瓷应用时应避开强场损耗高点;并在环境中施加正向偏场,有助于抑制压电陶瓷性能衰减。     

锆钛酸铅PZT压电陶瓷的制备及其性能研究

以具有优良压电性能的二元系固溶体锆钛酸铅(PZT)材料为研究对象,以其制备工艺、结构和性能作为主要研究内容,通过高温固相烧结方法对PZT的合成规律进行了研究,使用XRD谱、Raman谱结构表征手段和XPS、热膨胀、介电测量等物性测试技术研究了它们的晶体结构、晶粒尺寸与性能的关系,以及合成条件对铁电材料的微观结构和性能的影响。     

铌镁酸钡缓冲层对锆钛酸铅薄膜漏电流的抑制

将铌镁酸钡(Ba(Mg1/3Nb2/3)O3,BMN)作为缓冲层,通过溶胶-凝胶法制备了锆钛酸铅(Pb(Zr0.52Ti0.48)O3,PZT)铁电薄膜.探究BMN缓冲层对PZT铁电薄膜介电、铁电性能影响.研究发现:BMN缓冲层不仅可以改善PZT薄膜晶化生长,同时阻碍了PZT与Pt的互扩散而降低了漏电流.由于对漏电流的抑制作用,适当厚度BMN缓冲层的引入可改善PZT的铁电性能,但随着缓冲层厚度的增加,由于其分压作用,复合膜铁电性减弱.当厚度为10 nm时,薄膜的综合性能最好:介电常数εr=1612.03,介电损耗tanδ=0.024,剩余极化值Pr=31.65 μC/cm2,矫顽场Ec=71.5 kV/cm,漏电流密度J=4.4×10-6 A/cm2.     

PZT薄膜晶化过程的相变及铁电畴监测

采用射频磁控溅射法，在室温Pt／Ti／SiO_2／Si上制备了非晶态Pb(Zr_(0.48)Ti_(0.52))O_3(PZT)薄膜，经不同温度，相同保温时间快速退火处理使其转化为多晶PZT薄膜。用XRD，AFM测定了PZT薄膜的相组分与表面结构，并利用压电响应力显微镜(piezoresponse force microsco-py，PFM)观察了初始晶化和高度晶化样品自发极化形成的铁电畴。结果表明：PZT薄膜晶化发生在550℃，PFM可观察到自发形成的圆形铁电畴。650℃处理的样品晶化最充分并呈现出(111)择优取向，用PFM观察到该样品形成具有强烈压电信号的电畴。由此分别算得铁电相占薄膜总体积的(7.8±0.2)％和(97.3±0.2)％。PFM结合XRD，AFM的运用为寻求铁电薄膜晶化机理提供了新的途径。     

纯氧高气压溅射PZT铁电薄膜

用Pb(Zn0.55Ti0.45)O3烧结陶瓷作为靶材,在纯氧、高气压溅射条件下成功地原位沉积了锆钛酸铅(lead zirconate titanate,PZT)铁电薄膜。为了弥补靶材在烧结过程中Pb的挥发及溅射成膜过程中发生Pb的损失,以PbO计,加入了质量分数为5．0％的过量Pb3O4。实验发现：当最佳靶-基片距离一定时,n(Pb)／n(Zr Ti)成份偏析的比例随最佳靶-基片距离偏差的增加而降低。PZT铁电薄膜的X射线衍射分析表明,PZT铁电薄膜中存在PbO和钛锆固溶型氧化物,但无焦绿石相。PZT铁电薄膜的铁电性测量表明:剩余极化Px达到14．1μc／cm^2,矫顽电场Ec较小,Ec与Pb(Zr0.55Ti0.45)O2烧结陶瓷靶材的值相当,其电滞回线具有很好的对称性。     

PZT薄膜的MOD制备及形成机理研究

采用金属有机物热分解（ＭＯＤ）工艺在Ｐｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ衬底上制备锆钛酸铅（ＰＺＴ）薄膜。ＸＲＤ分析显示薄结晶状态良好,无焦绿石相存在。ＡＥＳ测量表明：薄膜成分沿膜厚均匀分布,膜中无碳存在,表面不富含铅。分析了薄膜的形成机理,安性地解释了晶粒的生长过程。     

电沉积工艺对p-CuSCN薄膜结构及半导体性质的影响

以乙二胺四乙酸二钠(ethylenediamjn tetraacetic acid disodium,EDTA)为鳌合剂,在水溶液络合体系中采用电沉积法制备了CuSCN半导体薄膜,应用电子隧穿成核和表面态热激发机理以及Mott-Schottky曲线分析了沉积电位和温度对薄膜结构和半导体性质的影响.结果表明:室温下,价带电子隧穿产生的电流与表面态空穴热激发电流在同一数量级,表面态空穴热激发电流不随电位改变,价带电子隧穿电流的变化趋势反映了整体电流的变化.随着阴极电位的升高,由于价带电子的隧穿几率变化,晶粒尺寸先减小后增大;半导体空穴浓度减小,p型性质减弱.由于沉积反应受活化能控制,在高温条件下主要表现为晶粒生长,导致晶粒尺寸增大,薄膜致密度降低;同时也使半导体空穴浓度减小,p型性质减弱.     

锰掺杂对PNW-PMS-PZT压电陶瓷结构和性能的影响

采用传统陶瓷工艺制备了Pb(Ni1/2W1/2)O3-Pb(Mn1/3Sb2/3)O3-Pb(Ti，Zr)O3-xMnO2压电陶瓷，分析了经1150℃烧结2h制备的陶瓷样品的相结构组成。实验结果表明：所有陶瓷样品均为钙钛矿相，未发现其它晶相。随着锰掺杂量的增加，陶瓷晶粒逐渐长大。研究了不同剂量的锰掺杂对压电陶瓷介电和压电性能的影响。结果表明：随着锰掺杂量的增加，材料逐渐变“硬”，当MnO2掺杂量少于0．2％(按质量计，下同)时，相对介电常数εr、压电常数d33和机械品质因数Qm逐渐增加，介电损耗tanδ减小；当MnO2掺杂量多于0．2％时，εr、d33和Qm逐渐降低，tanδ增加。随着锰掺杂量的增加，机电耦合系数kp和Curie温度θc逐渐减小。MnO2掺杂量为0．2％的压电陶瓷适合制作大功率压电陶瓷变压器。其压电性能为：εr=2138，tanδ=0．0058，kp=0．613，Qm=1275，d33=380pC／N和θc=205℃。     

溶胶凝胶反提拉法制备PZT铁电薄膜及La3+, Ca2+离子混合掺杂对薄膜结构和性能的影响

采用醋酸铅、硝酸锆、钛酸丁酯制备的独立前驱单体,通过溶胶-凝胶反提拉涂膜技术在基片Pt／Ti／SiO2／Si上制备了锆钛酸铅(lead zlrconate titanate,PZT)铁电薄膜。反提拉涂膜技术是通过逆向思维而提出的薄膜制备新方法,该技术避免了浸渍提拉涂膜存在的机械传动装置较难操作和控制的问题,且能够一次性在多个异形器件上同时大面积涂膜。分析了不同金属离子掺杂,特别是高、低价离子混合掺杂对薄膜微结构和性能的影响,发现：同时掺杂La^3 ,Ca^2 离子比单独掺杂La^3 离子薄膜的剩余极化强度Pr大,且漏电电流明显减小,另外金属离子掺杂有利于降低薄膜晶化温度和增大晶粒尺寸。     

电泳沉积法制备PZT厚膜及其性能

用电泳沉积技术制备了约70μm的PZT[Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O3]厚膜,分析了zeta电位、粘度及电泳沉积速率对PZT悬浮液的稳定性和电泳沉积质量的影响,并研究了烧结后PZT厚膜的结构和电学性能。实验结果表明：在pH=5.5～6.5时,悬浮液的zeta电位高达50 mV以上,此时悬浮液分散性好、粘度低,有最佳的沉积速率(≈31mg·cm~(-2)·min~(-1))和高达51％的相对沉积密度。在此条件下制备出的PZT膜厚均匀一致,无裂纹,经1 000℃保持30min烧结后,在1 kHz下测量得PZT厚膜的介电常数为1 050,介电损耗约为0.05,饱和极化值为20μC／cm~2,剩余极化值为12.9 μC／cm~2,矫顽场强为10.5 kV／cm。     

热处理工艺对钙锶铋钛铁电薄膜性能的影响

用溶胶-凝胶法和快速退火技术在带白金电极和钛过渡层的硅片(Pt/Ti/SiO2/Si)上制备了钙锶铋钛(Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15,CsBT-0.4)铁电薄膜.结果表明:退火温度及保温时间对CSBT-0.4铁电薄膜的微观结构、晶粒取向以及铁电性能的影响较大.x射线衍射谱表明:退火温度为750℃、保温时间为5min,得到的CsBT-0.4铁电薄膜样品的晶粒大小较均匀且致密性好,而且晶粒以a轴取向的球状晶粒为主,剩余极化强度(2Pr)和矫顽场(2Ec)分别为16.2 μC/cm2和130kV/cm.     

TbFeCo缓冲层对钴铁氧体薄膜的微观结构和磁性能影响

采用射频磁控溅射技术在非晶TbFeCo缓冲层上制备了钴铁氧体(CoFe2O4)薄膜,并在空气中于300～1 000℃退火.采用X射线衍射仪、振动样品磁强计对薄膜的微观结构和磁性能进行表征.研究表明:样品均以单相尖晶石结构存在.在300℃退火时具有(111)择优取向;而高于300℃退火时薄膜的(111)择优取向逐渐消失;在800℃以上退火时出现(400)择优取向.所有薄膜均具有高矫顽力和高垂直各向异性,800℃退火样品垂直于膜面方向具有最大矫顽力832×103A/m,矩形度为0.73,900℃退火时矩形度达0.9.     

钛酸铅热力学及其铁电相变的研究

在不同边界条件下，考虑到钛酸铅的晶粒界面能和表面自由能，利用广义的Ｃｌａｕｓｉｕｓ－Ｃｌａｐｅｙｒｏｎ关系式以及Ｌａｎｄａｕ－Ｇｉｎｓｂｕｒｇ－Ｄｅｖｏｎｓｈｉｅ热力学方程，求得了在不同受力状态，薄膜厚度及超微粒子的晶粒尺寸与自发极化强度和铁电相变温度之间的关系，理论分析能够很好地解释实验现象，综合文献的报道，对钛酸铅的铁电物性给予了全面的总结。