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Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)压电薄膜因其优异的介电、铁电和压电性能,广泛应用于微机电系统(MEMS)器件中。PZT薄膜与金属复合后,不仅能降低生产成本,提高工作频率,获得大应变量和快速响应,还可以提高多层结构的机械性能,进一步拓宽PZT薄膜在MEMS和工程系统中的应用。目前,铁电薄膜/金属异质结构的研究仍然是国际上的热点之一。在PZT薄膜的制备方法中,溶胶-凝胶法以其化学计量准确,大面积沉膜,组分均匀等优点而广为应用。然而,在厚膜制备(>5μm)方面有一定的困难。水热工艺可以在较低的温度(<250℃)得到结晶相薄膜,可以避免铅的挥发及薄膜与衬底之间的反应,并且可以较容易地生长出近20μm的厚膜。但薄膜的致密度和晶粒尺寸需要严格控制。本论文采用溶胶-凝胶法和水热工艺,在金属基片上制备了PZT薄膜。
用溶胶-凝胶工艺,在NiCr、Ti和不锈钢(SS)衬底上引入LaNiO3(LNO)薄膜作为缓冲层,并制备了0.8μm厚的PZT薄膜。讨论了LNO厚度对Ti基片上PZT薄膜结构和性能的影响。结果表明引入LNO可以降低PZT薄膜的晶化温度,大于150nm厚的LNO可以有效阻挡Ti基片与PZT薄膜之间的扩散和反应,缓解热膨胀系数和晶格常数失配,提高薄膜的结晶性能,进而提高PZT薄膜的介电性能。PZT薄膜的居里温度为320℃左右,并随LNO厚度的增加而降低。
用水热工艺制备了PZT粉体,研究了水热反应温度、时间、Pb含量和KOH浓度等条件对PZT粉体的相结构和形貌的影响,用溶解/沉淀机制解释了水热反应过程。在此基础上,调整水热工艺参数,在Ti衬底上制备了厚度为2.8μm的PZT薄膜。当KOH浓度为4mol/l时,PZT薄膜具有较均匀、致密的晶粒。水热反应后的退火处理,可以减少PZT薄膜中残余的H2O和OH-等,使PZT薄膜的介电损耗显著降低,提高介电性能的频率稳定性。经400℃快速热处理后,PZT薄膜介电常数和损耗分别为200和0.035,并具有明显的电滞回线。