Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3薄膜自极化调控

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近些年来,随着传感器、存储器和微电子机械系统(MEMS)等高新电子行业的迅速发展,准同型相界附近的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)薄膜得到了广泛的关注,主要是由于其具备了大的压电响应、热释电系数和介电常数,使它在非挥发性半导体存储器、红外探测器和MEMS等方面有着很大的应用前景。然而制备PMN-PT薄膜时容易出现焦绿石相,通过提高退火温度可以消除焦绿石,但目前研究中所需温度一般在650℃以上,如此高的退火温度将阻碍其在器件集成方面的应用。本论文采用溶胶-凝胶法在(100)取向的Si衬底上依次制备了LaNiO3(LNO)电极和PMN-PT薄膜,主要研究了预处理温度对PMN-PT薄膜结构的影响;退火温度和LNO电极的晶化程度对PMN-PT薄膜结构和性能的影响。研究内容如下:1、我们在同一退火温度不同预处理温度下制备PMN-PT薄膜,并对PMN-PT薄膜的结构进行研究分析。研究发现所有预处理温度下薄膜中均含有焦绿石相,其中在300℃预处理温度下的薄膜所含的焦绿石相最少,且(110)峰强最弱。2、研究了退火温度对薄膜结构和性能的影响。通过研究发现,退火温度为500℃和550℃下的薄膜均存在一定量的焦绿石,焦绿石相随着退火温度的升高逐渐减少,当退火温度为600℃时便已经完全消失。在我们所制备的PMN-PT薄膜中同时观察到了四方相和单斜相的存在,且随着退火温度升高,四方相的峰越来越明显。通过对铁电、介电和压电性能的研究发现焦绿石的存在使得薄膜的性能大大地降低,并且在含有焦绿石相的薄膜中没有观察到明显的自极化现象。3、通过提高退火温度的方法来消除焦绿石相和提高PMN-PT薄膜的性能使得该薄膜在应用时受到很大的限制,因此我们选择了另一种方法(即提高LNO电极的晶化程度)来改善PMN-PT薄膜的结构和性能。通过提高LNO电极的晶化程度,使PMN-PT薄膜的晶化程度也得到了提高,且可以观察到PMN-PT薄膜的分峰现象越明显。提高LNO电极的晶化程度也使得(001)取向择优的薄膜得到纯钙钛矿相时所需要的退火温度降低至500℃,并且我们可以观察到全部纯钙钛矿相的PMN-PT薄膜均具有自极化。650℃下沉积在LNO(100)FWHM=0.29°上的PMN-PT薄膜剩余极化可以达到23μC/cm2,介电常数大于3000,介电相对可调性nr约为70%,同时我们所测得的该薄膜10μm×10μm区域的平均压电响应高达257kV/cm。更值得关注的是,在薄膜表面形貌和压电原始图中均出现了不规则网格状条纹,并且表面形貌和压电图上的条纹完全对应,同时还观察到这些条纹处的压电响应比周围区域的压电响应大。
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