锆钛酸钡钙基无铅压电薄膜的微观结构与电性能

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:khsim
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(1-x)Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3(BZT-xBCT)无铅压电陶瓷在准同性相界(MPB)区的压电系数d33高达620pC/N。而薄膜材料不同于块体材料,其内部存在着残余应力,使得薄膜的性能也有别于陶瓷,目前报道BZT-xBCT薄膜最大的压电系数大约为80pm/V,BZT-BCT薄膜并没像陶瓷那样,展现出特别优异的压电性能,主要是该体系薄膜面临着晶化程度低,薄膜质量差,薄膜无织构等问题。本文在摸索溶胶凝胶法制备BZT-BCT薄膜成膜工艺的基础上,着眼于解决该体系薄膜面临的突出问题,试图通过成分变化、改变薄膜厚度、元素掺杂以及引入种子层等手段,来提高薄膜在MPB附近的压电性能。采用Sol-gel方法制备了CaTiO3,TiO2和LaNiO3(LNO)种子层以及带有种子层的BZT-BCT薄膜,研究了种子层对BZT-BCT薄膜的质量、微观结构以及电性能的影响。利用XRD,AFM以及PFM研究发现,CaTiO3,TiO2种子层的引入可以降低薄膜的晶化温度,同时,带有CaTiO3种子层的BZT-0.50BCT薄膜在一定程度上提高薄膜的晶化程度,TiO2种子层的引入提高了薄膜的质量,薄膜表面更加致密平整,带有LNO种子层的BZT-xBCT薄膜质量、晶化程度得到了很大提高,并出现了(100)织构,相比没有引入LNO种子层的薄膜,加入LNO种子层的薄膜电性能有了明显地提高。带有LNO种子层的BZT-xBCT薄膜的XRD衍射和ω扫描结果表明,加入LNO种子层的BZT-xBCT薄膜出现了明显的(100)织构,薄膜(100)衍射峰ω扫描结果表明,随着x的增加,FWHM值总体呈逐渐变大,说明(100)织构变得弥散。其中,当x=0.40时,FWHM值为5.1,2Pr值为10.7C/cm2。BZT-xBCT/LNO薄膜的压电系数均高于25pm/V,越临近准同型相界上成分点的薄膜d33值越大,当x=0.55时,d33最大值为131.5pm/V。当成分不变时,BZT-0.50BCT/LNO薄膜随着膜厚的增加,(100)织构逐渐减弱,(110)衍射峰逐渐变强,薄膜厚度由200nm增至500nm,其d33值从126pm/V减小到55pm/V。La掺杂BZT-0.50BCT/LNO薄膜的结果表明,La掺杂量从0at.%增加到5at.%时,薄膜的(100)织构度减弱,(110)衍射峰逐渐变强,当La掺杂量为5at.%时,压电系数d33最高达183pm/V。
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