【摘 要】
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钛铌镁酸铅体系弛豫铁电材料具有优异的铁电、介电、压电和热释电性能,在微电子学、集成铁电学和微电子机械系统等领域具有重要的应用前景。考虑到二元钛铌镁酸铅在使用过程中存在较低的居里点和相变温度,全新一代的以Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb Ti O3(PIMNT)为代表的高居里点弛豫铁电体吸引了广泛的关注,有望在保持二元体系优异电性能的同时,可大幅度拓宽器件工作
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钛铌镁酸铅体系弛豫铁电材料具有优异的铁电、介电、压电和热释电性能,在微电子学、集成铁电学和微电子机械系统等领域具有重要的应用前景。考虑到二元钛铌镁酸铅在使用过程中存在较低的居里点和相变温度,全新一代的以Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb Ti O3(PIMNT)为代表的高居里点弛豫铁电体吸引了广泛的关注,有望在保持二元体系优异电性能的同时,可大幅度拓宽器件工作温度范围。本论文即围绕PIMNT高居里点弛豫铁电体系的结构与电学性质展开研究,主要研究内容和结果如下:1.研究了0.3Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.4Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3Pb Ti O3(PIMNT(30/40/30))单晶常温及变温下的畴结构,铁电、压电和介电性能。在1 k Hz下,该单晶的介电常数εr为4046,损耗tanδ为0.008,频率常数Nt为1896k Hz·mm,厚度伸缩模式机电耦合系数kt为0.56,品质因数Qm为120,压电系数(933*为1034 pm/V,剩余极化强度Pr和矫顽场Ec分别为23μC/cm2和2.9 k V/cm。常温下的电畴尺寸为100-300 nm,可观察到极性微区和典型的压电回线。不同温度下的电畴结构研究表明,180?C下(远高于居里温度)仍然可以观测到明显的电畴。原位施加的直流电场增加到25 V,仍然可以诱导出明显的蝴蝶形压电回线,分析和讨论了相应的物理机制。2.采用脉冲激光沉积技术(PLD)在Sr Ru O3(SRO)缓冲的Sr Ti O3(STO)衬底上制备PIMNT薄膜,研究了氧分压对薄膜结构及电性能的影响,当沉积温度为600?C,氧压为20 Pa时,1 k Hz的相对介电常数达到2234,矫顽场Ec为5.6 k V/mm,剩余极化强度Pr达到40μC/cm2。3.在优化沉积氧压条件基础上,进一步研究衬底温度对PIMNT薄膜压电、介电、铁电等性能的影响规律及其物理机制。衬底温度为550?C~620?C间制备的PIMNT薄膜均为纯钙钛矿结构,没有明显的峰分裂或偏移。从扫描电镜表面和横截面结果可以观察到薄膜具有致密的结构,薄膜结晶良好,剩余极化在23.9μC/cm2和45.2μC/cm2之间,相对介电常数εr在1257-1563之间,介电常数表现出弱的温度依赖性。其中,在620?C,15 Pa条件下,薄膜的厚度为315 nm,压电系数达到40 pm/V。漏电流响应在弱场及强场下分别由欧姆导电机制与FN隧穿效应主导。PFM测试结果表明,该条件下的薄膜具有明显的铁电畴结构和蝴蝶形原位压电响应。
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