PZT压电薄膜的改性研究

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锆钛酸铅(PZT)薄膜是一种新颖的功能材料,它具有优良的电性能而引起国内外学者的广泛关注,成为国际上器件研究的新热点。PZT薄膜广泛应用于微电子学、光电子学、微电子机械系统等领域,可作为铁电存储器、传感器、声表面波器件和各种精密仪器控制部分的理想材料。特别是PZT压电薄膜作为微传感及驱动器件应用时的高灵敏度和高输出应变的特点使其成为微机电系统器件(MEMS)最有前途的候选材料之一。本论文的内容是关于用于压电微力传感器的PZT薄膜的制备及掺杂改善薄膜性能的研究。 本论文采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法,在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了不同Zr/Ti比以及Zr/Ti比为53/47时未掺杂和掺杂Eu3+、Mn2+的PZT压电薄膜,并对薄膜的微结构和电性能进行了表征及分析。分析结果表明:对未掺杂的PZT薄膜,薄膜的前烘温度对微结构影响比较大,前烘温度不同能够改变薄膜的择优取向;而退火温度对薄膜电性能的影响比较大。对不同Zr/Ti比的PZT薄膜的研究中发现,PZT薄膜的微结构和电性能具有强烈的组分依赖性。PZT(53/47)薄膜的各项电性能明显优于其他组分的薄膜。掺杂适量的Eu和Mn后,薄膜的铁电、压电和介电特性均有明显的改善。掺杂1.5mol%Eu的PZT薄膜,其剩余极化值Pr=28.8μC/cm2,d33=13.8pm/V,比未掺杂薄膜的值提高了近一倍。Mn掺杂的机理比较特殊,当Mn含量较少时,Mn离子将以Mn2+和Mn3+的方式优先替代晶格中Pb位,使材料的压电性能提高,表现出施主掺杂的特性;当Mn浓度变大时,部分Mn将主要以Mn3+的方式占据Zr(Ti)位,同时表现出“软性”和“硬性”掺杂的特性。 通过对未掺杂PZT、Eu-PZT以及Mn-PZT薄膜的分析研究,较深入地探讨了热处理温度、不同组分、Eu3+和Mn2+掺杂浓度等对PZT薄膜的择优取向、表面形貌和电学特性的影响,并初步分析了所产生影响的内部机理。通过以上研究制备的Eu-PZT薄膜的压电铁电特性提高最大,能满足作为压电薄膜传感器的要求。
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