PbZrO3基反铁电薄膜的制备及其电学性能的研究

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由电介质材料组成的电介质电容器因其高功率密度和快速充放电特性而受到广泛关注,在脉冲电源系统中具有潜在的应用前景。反铁电PbZrO3(PZO)作为一种典型的反铁电电介质材料,由于其独特的电场诱导相变特性而具有比较高的储能密度,在微电子器件和电气工程领域都有着广泛的应用。目前PZO反铁电薄膜的制备方法包括化学溶液沉积法(Chemical solution deposition:CSD)、脉冲激光沉积法(Pulsed laser deposition:PLD)、磁控溅射法(Magnetron sputtering)等,而每种制备方法都具有各自的优点和缺点。因此,制备出具有优良电学性能的PZO薄膜无论对反铁电材料的研究还是对电介质材料的应用都是非常重要的。本论文通过溶胶-凝胶法制备了富铝纳米颗粒(AO)在PbZrO3基体中分布的PZO-AO纳米复合薄膜以及Pb Ti O3(PTO)纳米颗粒在PbZrO3基体中分布的PZO-PTO纳米复合薄膜,并系统地研究制备方法对微结构、电学性能以及储能性能的影响。主要的研究内容和结果如下:1)通过Al元素自扩散在PbZrO3(PZO)基体中获得了富铝(AO)纳米颗粒均匀分布的反铁电纳米复合薄膜。与PZO薄膜相比,PZO-AO纳米复合薄膜的击穿电场强度和储能密度分别提高了181%和66%。通过分析薄膜的漏电流机制,探讨了其性能提高的原因。2)通过改变Al层的沉积厚度,调控AO与PZO的体积分数百分比,系统地研究了AO含量对PZO-AO复合薄膜微观结构与电学性能的影响。当AO的含量大于1 Vol%时,复合薄膜逐渐从反铁电型转变为铁电型,铁电剩余极化可达近40μC/cm~2。3)采用溶胶-凝胶法,通过在PZO前驱体溶液中加入胶体的PbTiO3(PTO)粉体制备了非晶态的PZO-PTO复合薄膜,然后,在马弗炉加热使其结晶,研究了胶体PTO添加量对PZO-PTO复合薄膜的微结构和电学性能的影响。结果表明:随着PTO添加量的增加,复合薄膜的电学性能由反铁电性逐渐转变成为铁电性,这种简单方法为调控PZO薄膜的铁电性能提供了一个新的思路。
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