PbZrxTi1-xO3多层膜的微结构及物性研究

来源 :中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:wwwwcccc3012
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PbZrxTi1-xO3(PZT)薄膜的折射率可随组分而变化,在可见和红外波段透明性好,而且具备大的电光系数,因此被认为制作新一代特性参数动态可调光子器件的理想材料。针对目前获得的铁电布拉格反射镜存在峰值反射率不够高、带宽窄和PZT多层膜光学、电学特性与微结构之间的依赖关系的研究尚不完善等问题,本论文逐一做了详细的研究,得到以下结果:首先,本文从调整膜层微结的角度构优化了PZT基布拉格反射镜的反射性能。在控制单一变量的前提下,分别研究了前驱体溶液中聚合物(聚乙烯吡咯烷酮,PVP)的平均分子量和添加浓度对PZT多层膜结晶学特性、微观结构和光学性能的影响,探索了PZT多层膜的物性特征随聚合物分子量和添加浓度演化的规律,确定了制备PZT基布拉格反射镜的最优的聚合物分子量和添加浓度。实验结果证明,在PVP的平均分子量为58,000,单体相对摩尔比为1时,PZT多层膜的反射性能达到最佳,室温绝对反射率高达89%,反射带宽为44nm。然后,本文基于以往的工作基础,独创了一维非周期体系制备铁电基全介质反射镜的技术,有效的拓展了PZT基布拉格反射镜的反射带宽度。在这项工作中,我们引进fibonacci镜像对称序列,由添加有高分子聚合物PVP的PZT和STO前驱体溶液,制备了一维非周期的特异结构电介质多层膜,该特异结构的多层膜系统在可见光区展现出单一的宽带高反特性,峰值反射率为95%,反射带宽达113nm。该高反带宽度达到传统的准周期性铁电多层膜2-3倍。也就是说,这项技术从优化膜系结构的角度显著提高了传统的周期性铁电多层膜的反射性能,实现了铁电基全介质反射镜反射带的展宽。第三,本文系统地研究了PZT多层膜的电学特性与微结构的关系。通过改变前驱体溶液中聚合物的分子量和添加浓度,研究了膜层微结构对PZT多层膜电学特性的影响。PZT多层膜的介电频谱测试显示,室温低频下样品的介电常数主要来自界面极化的贡献,多层膜内大的界面面积是室温低频表观相对介电常数(400~1000)大的主要原因。多层膜P-E特性测试显示,溶液中聚合物分子量的大小对多层膜剩余极化的影响不大,前驱体溶液中PVP含量的升高会使剩余极化逐渐增大,PZT多层膜的剩余极化主要与膜内孔隙率直接相关。最后,本文完善了PZT基光学微腔电学特性的研究,利用单一化学溶液制备了PZT基法布里-珀罗光学微腔。该方法的巧妙之处在于充分利用了铁电薄膜微结构及结晶特性随退火温度演化的规律,由退火温度控制膜层微结构进而改变膜层有效折射率,制备出同源不同折射率的布拉格反射层和缺陷层,成功实现了PZT基光学微腔的制备。实验发现,PZT基光学微腔不仅具有明显可辨的微腔模式(品质因子~44),结晶性能和成膜质量俱佳,更重要的是,该多层膜系同时具备非常优异的电学性能,其剩余极化强度(46.9μC/cm2)、低频介电常数(1KHz:716)和介电调谐率(1MHz:49%)分别比同组分准周期性PZT多层膜提高了11%、17%和22%。
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