组合法研究影响PZT薄膜结构及其热释电性能的因素

化学溶液分解法（CSD）制备PZT薄膜的研究发现，除了前驱溶液外，组成、掺杂、工艺过程与条件（如基片、缓冲层、热处理温度、气氛）等因素都对PZT薄膜的结构及性能产生影响。诸多的影响因素，错综复杂，主要因素与次要因素不明，各种影响因素与结果之间内在的规律性的关系并没有明确，更是缺乏理论性的解释。目前，对PZT薄膜的化学组成－微观结构－热释电性质的相互关系及其变化规律缺乏全面系统的研究。组合合成的方法对于上述因素进行系统的研究是一个有效、快速的实验手段。本项目采用CSD法，利用组合合成的实验手段，在较为严格的同一实验条件下，制备Zr/Ti组成比系列变化的PZT薄膜，对其微观结构、结晶机理、相变过程、热释电系数和其他有关的物理性质等结果进行系统考察，综合对比分析，明晰PZT薄膜的组成、结构和热释电性质的影响因素与结果之间内在的规律性的关系。

本项目研制出了一种简单的前驱溶液制备方法，采用价格便宜的原料，在无需蒸馏回流与气氛保护的条件下，快速制备了用于CSD法组合合成PZT薄膜的前驱溶液PT和PZ，仅用两种前驱溶液制备出各种不同组成的Pb(ZrxTi1-x)O3薄膜，结构性能与传统方法制备的薄膜相似，为PZT薄膜的系统研究提供了简单快捷的方法。FT-IR结果显示，溶液静置存放过程中基本保持稳定。热分析结果表明，所有前驱体均包含260-350℃和400-500℃两个放热区间。在前驱体热分解过程研究的基础上，以正交实验分析为基础，结合实验实际情况，选择样品的热处理温度为500℃，热处理时间为40s，退火温度为700℃，退火时间为10min，制备了Pb(ZrxTi1-x)O3(x=0.1- 0.9)系列薄膜。XRD显示，PZT薄膜具有钙钛矿结构，最佳取向均为(111)面，晶格参数变化规律与传统方法制备PZT薄膜的结果一致。XPS测试薄膜成分结果证实薄膜成分基本符合理论值。样品的扫描电镜分析显示，样品厚度基本保持在400nm，薄膜与底电极界面清晰，薄膜与基片接触良好。电滞回线测试结果显示，样品剩余极化变化规律与传统方法相似，富钛区的样品剩余极化值较大，矫顽场较大；在准同型相界组成附近x=0.5, 0.6样品具有良好的铁电性，自发极化较大，矫顽场较小。x=0.7, 0.8, 0.9的样品剩余极化逐渐减小，而矫顽场出现增大的趋势，x=0.9样品在低电场下显示出双电滞回线现象，具有反铁电特征。样品的介电常数及介电损耗测试结果表明，薄膜样品的介电常数基本保持在500左右，介电损耗基本维持在0.05-0.1范围。. 　在项目研究的过程中，发现组成是影响PZT薄膜铁电物理性质的主要因素，甚至各组分的分布情况也可以影响到PZT薄膜的铁电物理性质，因此还开展了PZT组成梯度薄膜制备及结构性能的研究。研究发现薄膜的梯度组成、梯度顺序和梯度跨度对薄膜的结构、形貌与性能都有很大的影响；研究分析认为这可能与薄膜的内部应力有关。. 项目按照计划顺利进行，预定内容基本完成，取得一定的成果，还延伸开展了梯度薄膜的研究内容。项目组成员已在国内外学术期刊正式发表标注有基金资助的学术论文25篇，利用项目研究的成果申请发明专利1项，项目组主要成员培养硕士研究生22名，组织或参加国内外学术合作交流6次。