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本论文以(K,Na)NbO3(KNN)无铅压电薄膜材料为主要研究对象,采用射频磁控溅射法作为薄膜材料的制备手段,探索了KNN薄膜的组分控制和性能调控这一关键科学问题,为发展无铅压电薄膜器件用KNN薄膜材料提供材料基础和知识积累。
(1)薄膜制备采用传统的陶瓷烧结工艺流程制备了溅射用导电氧化物靶材(LaNiO3(LNO),SrRuO3(SRO))和压电陶瓷(KNN)靶材。为了补偿靶材制备以及薄膜溅射过程中K和Na的挥发,设计了K和Na过量的化学组成为K0.55Na0.55NbO3的非化学计量比靶材。通过克服吸潮问题,选择合适的粘结剂(6wt.%的PEG乙醇溶液),在1000℃的低温下成功制备了溅射用K和Na过量的KNN陶瓷靶材。采用射频溅射的方式制备KNN无铅压电薄膜,研究了靶材组分和薄膜组分之间的关系。
(2)LNO底电极的影响采用改进的磁控溅射法制备了KNN/LNO异质结构,研究了LNO底电极对KNN薄膜结构和电学性能的影响。LNO为底电极时,KNN薄膜具有(001)择优取向,其表面为规则方形晶粒,断面显示为柱状生长。LNO底电极提高了KNN薄膜的介电常数和可调谐性能,在300kV/cm的电场下,其可调性为66%,损耗为0.03。KNN/LNO/Si薄膜表现出良好的铁电性和抗疲劳特性,经109次电循环而没有出现疲劳现象。在250kV/cm的外加电场下,Pt/KNN/LNO/Si的漏电流密度仅为1.66×10-4A/cm2。
(3)LNO上电极的影响制备了具有不同上电极的LNO/KNN/LNO/Si和Pt/KNN/LNO/Si电容器结构,比较了两者电学性能(介电性、铁电性、压电性)的差异。研究发现,LNO为上电极时,电容器表现出优异介电性的压电性,压电系数由26pm/V提高至58pm/V。其压电性的提高可能与介电性和铁电性的提高有关。另外,我们首次研究了两种电容器结构的变温压电性。随着温度的升高,LNO/KNN/LNO/Si的压电性逐渐降低,并在300~400℃的温度范围内与Pt/KNN/LNO/Si相当。而在整个温度区间,Pt/KNN/LNO/Si的压电性基本保持不变。
(4)KNN/SRO/STO薄膜采用改进的磁控溅射法制备了KNN/SRO/STO薄膜,并对其结构和电学性能进行了研究。结果表明,KNN/SRO/STO薄膜具有(001)择优取向,其表面为规则方形晶粒,平均晶粒尺寸为150nm。Pt/KNN/SRO/STO具有稳定的介电常数的频率依赖性,以及高达69.7%(@400kV/cm)的可调谐性能。Pt/KNN/SRO/STO表现出良好的抗疲劳特性,经1010次电循环而没有出现疲劳现象。压电回线显示其压电系数为36pm/V。在250kV/cm的外加电场下,Pt/KNN/SRO/STO的漏电流密度仅为3.48×10-6A/cm2,甚至低于Mn掺杂的KNN薄膜的漏电流密度。
(5)低温标度行为分别研究了降温下KNN/LNO/Si薄膜和升温下KNN/SRO/STO薄膜的低温铁电性,及其电滞回线的温度标度行为。结果表明,电滞回线面积、剩余极化Pr和矫顽场Ec在不同的温度区间分别满足幂次定律:∝Tγ1,Pr∝Tγ2,Ec∝(Tγ3。KNN/LNO/Si薄膜中,、Pr和Ec具有相似的温度依赖性。当T<180K时,它们随着温度的升高而降低,指数γ具有负值;当T>180K时,它们随着温度的升高而升高,指数γ具有正值。KNN/SRO/STO薄膜中,和Pr具有相似的温度依赖性。当T<245K时,它们随着温度的升高而降低,指数γ具有负值;当T>245K时,它们随着温度的升高而升高,指数决γ具有正值。而在整个温度区间内,Ec随着温度的升高逐渐降低,但在低温段其降低的更加明显。