自极化铁电薄膜的制备及自极化机制研究

集成铁电薄膜非制冷红外焦平面热释电探测器因其灵敏元的稳定性和均匀性问题而影响了其实际应用，若采用具有自极化特性的铁电薄膜作为灵敏材料制备红外探测器，则灵敏元不需要进行预极化处理就能表现出良好的压电和热释电性能，并且灵敏元的稳定性和均匀性会大幅提高。本项目将着重解决两个方面的问题：一是制备出具有自极化特性的PMN-PT铁电薄膜，研究铁电薄膜的自极化与薄膜微结构（如薄膜结晶学取向、缺陷种类与密度）、薄膜组分、薄膜应力、电极-铁电界面的关系，揭示与自极化相关联的因素，研究自极化特征温度效应，确定影响自极化的关键因素，实现对PMN-PT铁电薄膜自极化的控制生长。二是研究铁电薄膜自极化的弛豫特性，建立相应的物理模型，揭示自极化起源的微观物理机制。本项目的研究结果对实现自极化铁电薄膜的控制生长，了解与自极化相关的物理过程具有重要的科学意义，同时，为高效实用铁电薄膜红外探测器的研制提供强有力的技术支撑。

弛豫铁电材料具有良好的铁电、压电、电致伸缩、热释电及非线性光学等特性，可广泛地应用于光电子学、微电子学、微电子机械系统和集成铁电学等学科因而备受关注。 PMNT和PZNT薄膜在未经预极化处理时也会表现出优异的热释电性能，可应用于热释电红外焦平面列阵器件以解决其对器件稳定性和均匀性的要求。本项目主要研究工作如下：.1. 利用Nb2O5替代乙醇铌制备PMNT 和PZNT前驱体溶液，降低了实验成本，为PMNT和PZNT在工业上的应用提供了可能。.2. 采用化学溶液法，在Pt-Si衬底、LNO/Si衬底和石英等衬底上制备了PMNT薄膜，得到纯钙钛矿结构且具(110)和（111）择优取向的薄膜。PMNT薄膜表现出优异的铁电、介电和热释电性能。其剩余极化（Pr）、饱和极化（Ps）和矫顽场（Ec）分别为116μC/cm2 、510μC/cm2和78KV/cm。所制备的PMNT铁电薄膜在未经预极化处理时其热释电系数达4.6×10-8 C/cm2 K。高于项目预期研究结果中提出的1.5～2.0×10-8 C/cm2 K.3．采用化学溶液方法在Pt-Si衬底上制备了PZNT薄膜，探索了薄膜的制备工艺，实验表明：在退火温度为600℃时, PZNT薄膜具有更为均匀致密的微结构并表现出更优异的电学性能。所制备得到的PZNT薄膜的介电常数为618，损耗值为0.1，剩余极化值为8.71μC/cm2，热释电系数达3.1×10-8 C/cm2 K，这也高于项目预期研究结果中提出的1.5～2.0×10-8 C/cm2 K.4. 用传统固相烧结法成功制备了一种新型材料0.8Pb(Zr0.52Ti0.48)O3-(0.2-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPb(Al1/2Nb1/2)O3 (PZT-PZN-xPAN),并对其性能进行了研究。结果表明，当x = 0.1时，室温下，PZT-PZN-0.1PAN在3kv/mm的电场下可获得～0.24%的应变量，等效压电系数高达767 pm/V 。.5. 利用旋涂法将硝酸银分散到PVDF共聚物铁电薄膜中并采用氢气退火的方式制备金属纳米银掺杂的PVDF/Ag复合薄膜，实现了对PVDF薄膜电学性能的改进。