粒子辐照对锆钛酸铅薄膜电学特性的影响及其退火效应

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锆钛酸铅薄膜材料因具有优异的铁电、压电、热释电等性能受到研究人员的广泛关注。以锆钛酸铅铁电薄膜为关键材料的传感器、存储器、红外探测器等电子元器件在航天领域有非常好的应用前景。然而航天用电子元器件会受到各种环境因素的侵扰。其中,带电粒子辐射严重影响了材料与器件的服役特性,进而影响了航天器的稳定运行与服役寿命。因此,研究锆钛酸铅薄膜材料的辐射退化规律及机理对于航天用电子器件的设计和使用至关重要。利用溶胶-凝胶法制备了锆钛酸铅铁电薄膜,研究基底(Pt/Ti/SiO2/Si基和Si基)和退火温度(600℃、650℃、700℃、750℃)对PbZr0.52Ti0.48O3(PZT)铁电薄膜性能的影响,通过对相关测试结果进行比较,发现以Pt为基底,650℃制备的PZT薄膜具有最好的结晶度、表面形貌和电学性能。通过系统研究电子辐照能量和注量对PZT铁电薄膜电学特性的影响规律,可以发现随着辐照能量和注量的增加,辐照样品的极化强度和介电常数退化明显,低频介电损耗随能量和注量增加而减小,高频介电损耗没有明显变化。同时,辐照后PZT样品电学性能随时间的延长明显降低。通过质子辐照作用下PbZr0.52Ti0.48O3铁电薄膜的电学特性及其随时间的演化行为(即时间退火效应)研究,结果表明随着质子辐照注量增加,极化强度和介电常数下降的更多,低频介电损耗增大,高频介电损耗没有明显变化。质子辐照后PZT薄膜极化强度的变化具有随时间的滞后现象,介电常数和介电损耗随时间未发现明显的随时间滞后现象。此外,质子辐照后PZT薄膜的(111)特征峰峰位左移,且辐照注量越大,左移越严重,半高宽增大,薄膜残余应力由压应力变成拉应力,辐照后PZT薄膜中元素价态发生变化,部分Pb元素由+2价变为+4价。通过不同退火条件(温度、气氛)下,粒子辐照后PZT样品电学特性的回复行为研究,结果表明两种辐照样品的电学性能均在500℃退火时得到最大程度的回复,而退火气氛对辐照样品电学性能的回复没有特别明显的作用。
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