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PZT、BST铁电薄膜的制备

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PHT铁电薄膜的制备与性能研究

PHT铁电薄膜的制备与性能研究

摘要铁电薄膜材料是具有介电、压电、热释电、铁电等性质的功能材料，被广泛应用于集成电子学、微电子学、微机电系统、光电子学等重要领域。

铁电薄膜是非易失性随机存储器(NVRAM)的重要组成部分。

随着现代科学技术和信息处理技术的高速发展，对NVRAM是的存储密度、稳定性及使用寿命都有了越来越高的要求。

虽然传统的铁电材料(PZT、SBT等)的制备技术已很完善，但其在工业应用方面还存在一些问题，如铁电疲劳、制备温度高等。

探索可用于NVRAM的新型高性能铁电材料越来越重要。

钙钛矿结构Pb(Hf x Ti1-x)O3(PHT）铁电薄膜具剩余极化强度高、矫顽场低、介电常数大、成分可调、抗疲劳特性好等优点，可作为NVRAM的候选铁电材料。

本论文以钙钛矿结构的铁电薄膜PHT为研究对象，对PHT与半导体材料(Si、GaN)的集成结构进行了系统的研究。

主要开展了以下工作：探索Pt(111)/TiO2/SiO2/Si衬底上PHT薄膜的最优生长工艺；在Al2O3衬底上研究缓冲层对PHT薄膜微观结构及性能的影响，并研究不同底电极对PHT薄膜的影响；初步探索铁电薄膜PHT与半导体GaN集成结构的性能。

1、首先在Pt/TiO2/SiO2/Si衬底上采用PLD法制备PHT薄膜，探索PHT的最优制备工艺。

制备铁电电容结构(MIM)，研究PHT薄膜的本征电学性能。

研究发现，生长过程中氧分压和生长温度对PHT薄膜的择优取向、铁电极化及漏电流都有显著的影响。

然后引入低温自缓冲层技术，有效改善薄膜的微观结构和电学性能。

此外，本论文还对比了不同生长温度的自缓冲层对PHT薄膜的微观结构及电学性能的影响，发现插入300 ℃自缓冲层得到沿(111)取向的高质量外延PHT薄膜，薄膜晶粒大小均匀，且表面平整、结构致密。

与600 ℃直接沉积的PHT薄膜相比，300 ℃自缓冲层下外延薄膜的漏电流密度降低了3-4个数量级，剩余极化强度提高到63 μC/cm2，矫顽场强降低至190 kV/cm，抗疲劳特性也得到了显著改善。

材料物理09 铁电薄膜

材料物理09 铁电薄膜
ty of Science & Technology
28
7 铁电薄膜的发展展望
(6)铁电薄膜微观特性的表征，及其与宏观特性的对 应关系尚不清楚。 随着纳米科学技术的发展，制备纳米级铁电薄膜 已引起人们的重视，但是，如何表征纳米铁电薄膜 的特征，尚不十分清楚，需要发展新型的分析表征 手段和相关仪器，才有可能得到解决。这类纳米尺 度的特性与测出的宏观性能(特别是电学性能)的关系， 更有待深入的理论研究和实验验证。
Shaanxi University of Science & Technology
26
7 铁电薄膜发展展望
(4)铁电疲劳与老化限制了铁电薄膜的广泛应用。 尽管人们已找出疲劳效应小的铁电薄膜材料，如 SBT，但铁电疲劳和老化仍限制着铁电薄膜器件的 广泛应用。此外，对铁电体的开关特性而言，没有 精确的电压阀值，而且开关特性及与之相关的开关 电压和剩余极化还与铁电薄膜的疲劳和老化特性密 切相关，这更促使人们急切解决铁电薄膜的疲劳和 老化问题。
School of Materials Science & Engineering, 2011
铁电薄膜
Ferroelectric Thin Film
陕西科技大学材料科学与工程学院 授课教师：蒲永平
pu@physik.uni-halle.de
1 铁电薄膜的定义
具有铁电性、且厚度在数十纳米至数微米的薄膜材料
Shaanxi University of Science & Technology
15
One case
MFIS(Metal/Ferroelectric /Insulator/Semiconductor) 制备一个MFIS结构的无铅铁电薄膜场效应晶体管 的原型器件，并对它的电学性能进行表征。

BST铁电厚膜的丝网印刷制备工艺研究

BST铁电厚膜的丝网印刷制备工艺研究

１ 实验 部 分
１ １ 原料 及仪 器 ． 制 备 Ｂ Ｔ粉 体 的原料 为 Ｂ Ｃ ）、 ｒ Ｏ 及 Ｔｉ 。 分析 纯 ， Ｓ ａ （ ＳＣ 。 。 Ｏ（ 天津 博迪 化 工有 限公 司 ） ；
松油 醇 （ 析纯 ， 分 天津 博迪化 工有 限公 司 ） 为溶剂 ， 乙基 纤维 素 （ 学纯 ，同药 集 团化 学 试剂 公 司 ） 化 为粘 合
刷 技术沉 积在 氧化铝 陶瓷基板 上 ， 后进 行预烧 并 在 １２ ０ １３ ０℃之 间烧结 得 到 Ｂ Ｔ厚膜样 品． 然 ０ ０ Ｓ
有机 载体 与浆料 的粘 度采 用上 海恒平 科学 仪器 有 限公 司 的 ＮＤ 一 型 旋转 粘度 计 测 量 ； Ｊ１ 晶相 分析 采
收稿 日期 ：２ ０ —１ ０ ９ ０—２ ６ 基金 项 目 ：周 家 自然 科 学 基 金 项 目 （０ ６ ０ ２ 资 助 ５７２２ ） 作者 简 介 ：汪竞 阳 （ ８一 ， ， ＝ 生 １７ ） 男 博 ｉ ９ ＝
剂． 体 球 磨 采 用 南京 大 学 仪 器 厂 制 Ｘ 粉 ＱＭ－ Ｉ 型 变频 行 星 式 球 磨 机 ， 料 分 散 和湿 膜 超 声 处 理 采用 ２ 浆 ＫＱ ２ ０ 一５ ＤＢ型数 控超声 波 清洗器 ， 印刷 丝 网为 ３ ０目尼 龙 网 ， ０ 铝制 网框 ， 胶刮 板 ， 体 预烧 和 厚膜 烧结 橡 粉 设 备采 用上 海 电炉 厂 生产 的 Ｓ Ｘ ８１ Ｓ －—６型箱式 电 阻炉． １ ２ 制备与 表征 ． 以二氧化 钛 、 酸钡 和碳 酸锶 为原 料 ， 按化 学 计 量 比称 量 好 的原 料 用 去 离子 水湿 碳 将 法 球磨 ， 烘干 、 研磨 过筛 之后在 ８ ０ ０ ０ ～１１ ０℃下 保 温合 成 Ｂ Ｓ Ｔｉ 粉 体． 机 载体 为松 油醇 和 乙 ａ ｒ Ｏ。 有 基 纤维 素 ， Ｂ Ｔ 粉体 、 将 Ｓ 有机 载体 和粘合 剂按 一定 比例 混合球 磨后 得到 厚膜 浆料 ． Ｓ Ｂ Ｔ厚 膜采 用丝 网 印

课程设计(PZT材料结构及制备原理)

课程设计(PZT材料结构及制备原理)

粉料经混合、煅烧来合成PZT , 然后经过机械粉磨获得PZT 粉体。传统的固相反应 法是将ZrO2 , TiO2和PbO等氧化物粉料通过粉磨混合均匀,在高温下煅烧合成,然后 再经机械粉磨获得钙钛矿相PZT粉体。 由于该方法具有成本低产量高以及制备工艺相对简单等优点,仍然是目前国内 外合成PZT粉体应用最普遍的方法。利用固相反应法合成PZT粉体时,一般要经历生 成PbTiO3或PbZrO3的中间反应,导致所合成的PZT相组成波动和不均匀, 使得准结晶 学相界(MPB ) 产生弥散,严重影响材料的铁电、压电和介电性能。另外,固相反应 法合成PZT的煅烧温度较高,一般不低于1100 ℃，易于产生硬团聚,粉体颗粒较粗, 烧结活性低, 需要较高的烧结温度(1200 ℃)和较长的烧结时间,才能获得烧结致 密的PZT陶瓷。这使得在煅烧合成和烧结的过程中,铅挥发损失严重,难以保证准确 的化学计量比,在PZT结构中产生铅或氧空位缺陷,影响制品性能。机械固相反应法 合成钙钛矿相PZT粉体一般先将PbO, TiO2 , ZrO2原料粉体湿法球磨混合,烘干后得 到具有较高反应活性的超细粉体,然后置于高速摇摆磨或星星磨机中,干法高速球 磨,反应合成钙钛矿相PZT粉体。在干法球磨过程中,反应物经历了无定型化、钙钛 矿相PZT成核和和长大等过程,最终实现PZT超细粉体的合成。机械化学固相反应法 合成的PZT粉体不仅具有超细,分散性好等特点,而且由于是在一个密闭的系统中, 没有铅的挥发损耗,很好的保持了化学组成,并且在机械化学反应的过程中,没有 PbTiO3或PbZrO3等中间相出现,所合成的PZT粉体相组成更加均匀,克服了传统的固 相反应法固有的缺陷。
4
PZT 材料固相反应的方法和原理
所谓固相反应，从广义上来讲，凡是有固相参与的反应，都是固相反应。从狭

pzt压电薄膜 原理

pzt压电薄膜 原理

pzt压电薄膜原理PZT压电薄膜是一种具有压电效应的薄膜材料，其原理是通过施加压力或电场来产生电荷的分离和倾斜，从而实现电能与机械能的相互转换。

PZT压电薄膜在各种应用领域中具有广泛的应用，如传感器、声波器件、振动能量收集器等。

PZT压电薄膜的压电效应基于压电效应的整体特性，即应变效应和电效应之间的相互作用。

应变效应是指当施加压力或应变时，材料产生电位变化；电效应是指当施加电场时，材料发生形变。

PZT压电薄膜利用这种相互作用，可以将机械能转化为电能或将电能转化为机械能。

在PZT压电薄膜中，晶格结构的不对称性是实现压电效应的关键。

PZT材料由铅、锆和钛等元素组成，其晶格结构呈现出非中心对称性。

当施加压力或应变时，晶格结构发生变形，导致正负电荷的分离。

这种分离产生的电荷可以通过电极收集，并产生电压信号。

相反地，当施加电场时，电场作用下的电荷重新分布会导致晶格结构的变形，从而引起机械应变。

PZT压电薄膜的性能与其晶粒尺寸、结构、组分比例以及制备工艺等因素密切相关。

通过控制这些因素，可以调节PZT薄膜的压电性能，以满足不同应用的需求。

此外，通过在PZT薄膜上加工微细结构，可以进一步提高其压电效应和灵敏度。

PZT压电薄膜在传感器领域中具有重要应用。

以压力传感器为例，当施加压力时，PZT薄膜产生电荷分离，从而产生电压信号。

通过测量这一信号的变化，可以确定外部压力的大小。

类似地，PZT压电薄膜也可用于加速度、应变和温度等传感器的制备。

PZT压电薄膜还可以应用于声波器件，如压电陶瓷换能器和压电陶瓷谐振器。

在压电陶瓷换能器中，当施加电压时，PZT薄膜产生机械振动，从而产生声波；相反地，当声波作用于薄膜时，薄膜产生电荷分离，从而产生电压信号。

压电陶瓷谐振器则利用PZT薄膜的压电效应，实现声波的放大和滤波功能。

PZT压电薄膜还可用于振动能量收集器的制备。

通过将PZT薄膜与机械振动器件相结合，可以将机械能转化为电能，从而实现能量的收集和存储。

课程设计(PZT材料结构及制备原理)

课程设计(PZT材料结构及制备原理)

2.2.2
Hale Waihona Puke 硬性取代所谓“硬性取代改性”是指加入这些添加物后能使矫顽场强 EC 增加，极化变难， 因而在电场或应力作用下，材料性质变“硬”。 （a） K+，Na+等取代 A 位 Pb2+离子（受主掺杂） ；
ABO 3 ' × K 2O → K Pb + K i• + O O
（b） Fe2+、Co2+、Mn2+(或 Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、Al3+、Cr3+等取代
4
PZT 材料固相反应的方法和原理
所谓固相反应，从广义上来讲，凡是有固相参与的反应，都是固相反应。从狭
义上来说，固相反应是固体与固体发生化学反应，产生新的固体产物的过程。 目前, PZT粉体的合成方法主要可分为两大类,即固相反应法和湿化学合成法。 固相法是目前国内制备PZT 压电陶瓷粉体普遍采用的方法, 其工艺是多种氧化物
（b）Nb5+、Ta5+、Sb5+、W6+等取代 B 位的 Zr4+、Ti4+离子（施主掺杂） 。
ABO 3 • × Nb 2 O 5 → 2 Nb Zr + O i'' + 4 O o ABO 3 •• × WO 3 → W Zr + O i'' + 5 O o
经软性取代改性后的 PZT 瓷性能有如下变化： 矫顽场强 EC 减小，机械品质因数 Qm 减小； 介电常数ε增加，介电损耗 tanδ增加,机电耦合系数 KP 增加, 抗老化性增加，绝 缘电阻率ρ增加。 其原因是它们的加入导致形成 Pb2+缺位。如每两个 La3+置换 3 个 Pb2+，为了维 持电价平衡，使得在钙钛矿结构中 A 位置上的阳离子数减少，便产生一个 A 空位。 由于 Pb2+缺位的出现，使得电畴运动变得容易进行，甚至很小的电场强度或机械应 力便可以使畴壁发生移动。结果出现出介电常数、弹性柔顺系数的增加，同时介电 损耗和机械损耗增加，Qm 降低。又由于畴的转向容易，使得沿电场方向取向的畴的 数目增加，从而增加极化强度，使得压电效应大大增加，表现为 KP 值的上升。由 于畴的转向阻力变小， 所以用以克服阻力使极化反向的矫顽场很小， 回线近于矩形。 又由于 Pb2+缺位的存在，缓冲了 90 畴转向造成的内应力，使得剩余应变变小。或 者说，由于畴壁容易运动，使得畴的内应力容易得到释放，所以老化性能好。

MEMS器件用PZT薄膜的制备及性能研究

哈尔滨Ｉ：释人学硕士学位论文图２．１ｌ相同同温度下不同时间烧结ＰＺＴ微粉ＳＥＭ（Ａ１．５ｈ，Ｂ２ｈ，Ｃ３ｈ）作为底电极。

“１。

以Ｐｔ、Ａｕ作为底电极时，出ｆ在Ｓｉ片上结合力不强。

热处理过程中易发生剥落脱层现象，可预先溅射一薄层Ｔｉ，因Ｔｉ与Ａｕ及Ｓｉ０２／Ｓｉ基片均有很好的结合力。

本实验采用磁控溅射法在Ｓｉ０２薄膜一ｋ溅射过渡层Ｔｉ，真空蒸镀法制备Ａｕ作为下电极。

ＰＺＴ薄膜的结构图如图３．２所示。

图３．２ＰＺＴ薄膜的结构图（１）溅射溅射是与气体辉光放电现象密切有关的一种薄膜淀积技术。

在高真空室内充入所需要的惰性气体（如氩气），在高压电场作用下气体放电，产生大量的离子，这些离子被强电场加速形成高能量的离子流，去轰击源材料（阴极或靶），由于离子的动能超过源材料中原子和分子的结合能，使源材料的原子或分子逸出，以高速溅射到阳极（硅片）ｔ，淀积成薄膜，这个过程就叫溅射”…。

溅射的优点是可以制备多种材料的薄膜，从导体到非导体，从元素薄膜到化合物薄膜，从普通金属材料到难熔金属，都可制备薄膜，而且薄膜质量比蒸发制备的薄膜好，粘附性也好。

缺点是淀积效率较低，只能用于制造较薄的膜。

磁控溅射是在二极溅射的基础上以增加磁场来改变电子的运动方向，束缚和延长电子运动轨迹，从而提高电子对工作气体的电离几率和有效利用电子的能量。

因此，在形成高密度等离子体的异常辉光放电中，正离子对靶材轰击引起的靶材溅射更为有效。

受正交电磁场束５０００４０００３０００２０００１００００４０６０８０１００２ｔｈｅｔｅ（ｄｅｇ．）图３．９加入ＰＺＴ粉末的ＰＺＴ薄膜的ＸＲＤArray图３．ｉ０Ｓｏｌ—Ｇｅｌ法在６５０℃制备ＰＺＴ薄膜的ＳＥＭ（Ａ朱加入ＰＺＴ微粉，Ｂ加入ＰＺＴ微粉）３．ＰＺＴ薄膜表面形貌扫描电子显微镜（ＳＥＭ）主要用于研究薄膜的表面形貌、晶粒大小及横断面的形貌。

图３．１０ｋ为直接用ＰＺＴ溶胶涂敷的薄膜的表面形貌，从图中显示薄膜厚度均匀，无裂纹，晶粒尺寸小于ｌＯＯｎｍ。

纳米结构PZT铁电膜的制备及其表征

纳米结构PZT铁电膜的制备及其表征朱信华;宋晔;杭启明;朱健民;周舜华;刘治国【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2010(041)011【摘要】采用溶胶-凝胶(sol-gel)自旋涂敷法在硅基氧化铝纳米有序孔膜版介质上(膜版孔径尺寸20～100nm,内生长金属纳米线作为底电极一部分)制备Pb(Zr0.53Ti0.47)O3(PZT)纳米结构铁电膜,并对其介电、铁电性能及微结构进行了表征.介电测量结果表明,厚度25nm的PZT铁电膜,其介电常数在低频区域(频率<104Hz)从860迅速下降到100,然后保持在100左右,直至测量频率升高到106Hz.低频区域的介电常数迅速下降是由空间电荷极化所致,它与薄膜和电极之间聚集的界面空间电荷密切相关,尤其是在薄膜与Au纳米线的弯曲界面处.介电损耗在4000Hz附近出现峰值,它来源于空间电荷的共振吸收效应.电滞回线测量结果表明,厚度为100nm的PZT铁电膜,其剩余极化强度为50μC/cm2,矫顽场强为500kV/cm.剖面透射电镜(TEM)像表明PZT纳米铁电膜与底电极(金属纳米线)直接相接触,它们之间的界面呈现一定程度的弯曲.在 PZT纳米铁电薄膜后退火处理后,发现部分Au金属纳米线顶端出现分枝展宽现象;而改用Pt纳米线后可有效抑制这种现象.为兼顾氧化铝纳米有序孔膜版内的金属纳米线有序分布及PZT纳米膜的结晶度,选择合适的退火温度是制备工艺中的关键因素.【总页数】4页(P1959-1962)【作者】朱信华;宋晔;杭启明;朱健民;周舜华;刘治国【作者单位】南京大学,物理学院,固体微结构物理国家重点实验室,江苏,南京,210093;南京大学,物理学院,固体微结构物理国家重点实验室,江苏,南京,210093;南京大学,物理学院,固体微结构物理国家重点实验室,江苏,南京,210093;南京大学,物理学院,固体微结构物理国家重点实验室,江苏,南京,210093;南京大学,物理学院,固体微结构物理国家重点实验室,江苏,南京,210093;南京大学,物理学院,固体微结构物理国家重点实验室,江苏,南京,210093【正文语种】中文【中图分类】TM22;TB383;TN16【相关文献】1.溶胶-凝胶法制备纳米PZT粉体及结构表征 [J], 刘红梅;张德庆;林海波;张亮;刘海涛;邱成军;曹茂盛2.BaTiO3铁电纳米膜制备及物性和微结构表征 [J], 朱信华;朱健民;刘治国;闵乃本3.铁电纳米结构的浸渍涂敷法制备和微结构STEM表征 [J], 朱信华;朱健民;周舜华;刘治国4.纳米结构铁电膜的制备和物性及微结构表征 [J], 朱信华;宋晔;杭启明;朱健民;周顺华;刘治国5.PZT-NiTi铁电-铁弹多层膜的制备及表征 [J], 程晋荣;徐东;金承钰;孟中岩因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

均匀设计法研究PZT铁电薄膜制备工艺的优化

中图分类号： ５３ ＴＢ ５ 文献 标 识 码 ： Ａ
Ｓ ｕ ｙｏ ｔ ｄ ｎ Ｏｐｔｍ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｏ ｅ ｓ ｆ ｒ Ｐｒ ｐａ ｉ ｇ ＰＺＴ ｒ ｏ ｌ ｃ ｒ ｃ ｉ ｚ ｔｏ ｆ Ｐｒ ｃ ｓ ｏ ｅ ｒ ｎ Ｆｅ ｒ ｅ ｅ ｔ ｉ Ｔｈｉ ｌ ｓ ｂ ｉｏ ｍ ｓｇ ｎ Ｆｉｍ ｙ Ｕｎ ｆ ｒ Ｄｅ ｉ ｎ
ｐｅ ｓ ｒ ，ｓ ｂ ｔａｅｔｍｐ ｒｔ ｒ ，ｒ ｔ ｆＯ２ Ａｒ Ｏ２ ｐ ｔｅｉｇｐ ｗｅ ｎ ｎ ｅ ｌｄｔｍｐ ｒｔ ｒ ｎｔ ｉｋ ｅ ｓ ａ ｒｓ ｕ ｅ ｕ ｓｒ ｔ ｅ ｅａｕ ｅ ａｉ ｏ ／ ＋ ｏ ，ｓ ｕ ｔｒｎ ｏ ｒａ ｄａ ｎ ａｅ ｅ ｅ ａｕ ｅｏ ｈｃ ｎ ｓ ，ｃ —
ｔ ｉ ｉ ｒ ｎ ｌ ｚ ｄ ｂ ｎｆ ｒ ｄ ｓ ｎ ａ ｈ ｉｅ ｌ ｖ ｌ． Ｔｈ ｔ ｅ ｔ ａ ｄ ｌ ｆｔ ｅ ｅ ｆ ｃ ｓ ｏ ｔ ｓ ｈ ｒ ｈ ｎ ｆ ｍｓａ ｅ ａ ａ ｙ ｅ ｙ ｕ ｉ ｍ ｅ ｉ ｔｔ ｅ ｆ ｅ ｅｓ ｌ ｏ ｇ ｖ ｅ ｍａ ｈ ｍａ ｉ ｌｍｏ ｅ ｓｏ ｈ ｆｅ ｔ ｆａ ｍｏ ｐ ｅ ｉ ｃ ｃ
均 匀设 计 法研 究 Ｐ Ｔ铁 电薄 膜 制备 工 艺 的优 化 Ｚ
樊攀 峰 ， 张之 圣 ， 胡 明 ， 志 刚 刘
（ 津 大 学 电子 信 息 工 程 学 院 。 子科 学 与 技 术 系 ， 津 ３ ０ ７ ） 天 电 天 ０ ０ ２
摘
要 ： 用 射 频 磁 控 溅 射 工 艺 在 Ｐ／ ｉＳＯ ／ ｉ 底 上 制 备 具 有 钙 钛 矿 结 构 的 Ｐ Ｔ铁 电 薄膜 。对 影 响 Ｐ Ｔ 应 ｔＴ／ ｉｚ ｓ 衬 Ｚ Ｚ
ＦＡＮ ｎ－ｅ Ｐａ ｆ ｎｇ，ＺＨ ＡＮＧ ｉｓ ｅ Ｚｈ ‘ ｈ ｎｇ，Ｈ Ｕ ｉ Ｍ ｎｇ，ＬＩ Ｚｈｉｇ ｎｇ Ｕ －ａ

单层PZT薄膜和双层PZT薄膜的制备及物性研究的开题报告

单层PZT薄膜和双层PZT薄膜的制备及物性研究的开题报告1. 研究背景与意义铁电材料具有独特的电学、光学和压电等特性，在信息存储、传感、声学、超声波等领域有着广泛的应用。

PZT是铁电材料中最常用和最具代表性的一种材料，主要由Pb、Zr、Ti三种元素构成。

单层PZT薄膜在微电子器件、传感器等领域有着广泛的应用，而双层PZT薄膜由于其性能更加出色，近年来受到了越来越多的关注。

当前，单层PZT薄膜制备技术已经较为成熟，但双层PZT薄膜的制备技术还不够成熟，其中面临的主要问题是如何控制两层PZT薄膜之间的粘附和一致性。

因此，深入研究单层PZT薄膜和双层PZT薄膜的制备技术和物性对于推动铁电材料在不同领域的应用具有重要意义。

2. 研究内容和方法本研究旨在制备单层PZT薄膜和双层PZT薄膜，并对其物性进行研究。

具体内容如下：(1) 单层PZT薄膜：采用射频磁控溅射法在氧气氛围下制备单层PZT薄膜，并通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜等手段对其微观结构、晶体结构、表面形貌进行表征；利用阻抗分析仪、压电测试仪等测试设备测试其电学、压电等性能。

(2) 双层PZT薄膜：基于单层PZT薄膜的制备技术和经验，设计并改进双层PZT 薄膜的制备工艺，利用控制变量法研究不同工艺条件下的制备结果及其物性；通过光学显微镜、原子力显微镜等手段对其界面结构、表面形貌进行表征；利用测试设备测试其电学、压电等性能。

3. 预期结果和意义通过本研究，预期可以获得以下结果：(1) 成功制备出单层PZT薄膜和双层PZT薄膜，并对其物理化学性质进行表征，建立相应的物性测试方法。

(2) 对比分析单层PZT薄膜和双层PZT薄膜的物性差异，探究其背后的原因。

(3) 对制备工艺进行优化和改进，提高制备效率和薄膜质量。

本研究将对PZT材料的应用以及铁电材料在相关领域的发展提供重要的理论基础和支持，推动铁电材料在微电子器件、传感器、超声波等领域的应用。

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主要解释3：
当钴离子在薄膜中替代钛离子或锆离子的 位置时，为了保持电化学平衡，此时会产生氧 空位。当薄膜中存在氧空位时，它会和其它离 子形成复杂的偶极子缺陷。它也可以在薄膜中 的晶界、畴壁等位置形成点缺陷，所有这些缺 陷都会阻碍极化反转。在薄膜两端有外加电场 时，这些缺陷会在薄膜中产生一个与外电场方 向相反的内加电场，从而使得加在薄膜两端的 有效电场减小，使薄膜需要更大的电场来控制 薄膜的极化，这样会导致薄膜产生更大的矫顽 场。
焦绿石相
20
30
40
50
60
70
2 Theta (deg)
2.3 PZT铁电薄膜的铁电性能
Polarization (10-6C/cm2) Polarization (10-6C/cm2) Polarization (10-6C/cm2)
80
(a)5000C
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
3. PCZT薄膜的电滞回线图呈不对称形状，而 且在较高外场下有向下弯曲的现象。
主要解释1：
一般来说当铁电薄膜中存在有焦绿石相时， 其电滞回线图将会呈现出一个比较纤细的形状， 薄膜的剩余极化强度会比较小。从掺杂和不掺 杂的PZT薄膜的XRD图来看，掺杂后的薄膜中 含有的焦绿石相明显减少，甚至消失，这是导 致Co掺杂后PZT薄膜的铁电性能加强的原因 之一。
主要解释2：
铁电薄膜的居里温度点、自发极化、介电常数和 矫顽场与掺杂后的离子替代有很大的关系。 由于 Co2+的离子半径（0.75Å）比Pb2+的离子半径 （1.26 Å）要小得多，因而当钴离子在薄膜中替 代铅离子的位置后会占据更少的空间，这样钴离子 在氧八面体中会有更大的活动空间，从而能够产生 更大的极距和更大的剩余极化强度。但是另一方面， 钴离子在氧八面体中的活动空间大了以后会需要更 大的能量让其回到原来的平衡位置，因而导致掺杂 后的PZT薄膜有更大的矫顽场。
80
(a) Co-doped
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
Electric Field (KV/cm)
80
(c) 15mol% Co-doped
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
0.0 100
1. 介电常数增大 2. 存在介电消散现象
解释：
由于钴的掺入导致薄膜中的氧空位增多，薄膜和电 极界面之间的电荷会积聚的越多，这些电荷会明显增 大薄膜介质的电容，因而导致大的介电常数。
在测量的过程中，这些电荷会随着外加电场的变化 而变化。如果外加电场的频率足够小，能够满足这些 积聚电荷的变化周期，那么测量时这些电荷就会导致 一个比较大的电容。相反，当外加电场的频率增加时， 外加电场的周期不再允许积聚电荷产生作用，那么这 些电荷就不再对薄膜的电容起作用，因而外加电场的 频率变大时，薄膜的电容会显著降低，同时薄膜的介 电常数也会随之降低。
(1 0 2) (2 0 1) (1 1 2) (2 1 1)
(0 2 2) (2 2 0)
.
(a) (b)
(c)
20
30
40
50
60
70
2 Theta (deg)
4.3 PCNZT薄膜的铁电性能
Polarization (10-6C/cm2)
60 55 50 45 40 35 30 25
0
10mol% Co-doped
3.4 PCZT铁电薄膜的介电性能
Dielectric constant Dissipation factor
1200 1000
800 600 400 200
0
1
2.0
(a) 5% Co-doped
(b) 10% Co-doped
1.5
(c) 15% Co-doped
1.0
0.5
10
Frequency (KHz)
1. 绪论
1.1 铁电材料概述
• 铁电材料是指存在自发极化， 且自发极化有两个或多个可能 的取向，在电场的作用下，其 取向可改变的一类材料。铁电 材料的极化强度与外场的关系 曲线类似于铁磁材料的磁滞回 线，如图所示。
E=0, P=Pr
P=0, E=Ec
1.3 PZT铁电薄膜的制备技术
1. 溅射法 2. 激光闪蒸 3. 真空蒸发 4. 化学气相沉积（CVD） 5. 金属有机物化学气相沉积（MOCVD）法 6. 溶胶－凝胶（Sol-Gel）法
2
4
6
8
10
Nb content (mol%)
• 薄膜的剩余极化强度随着Nb掺杂浓度的增大 而减小。
解释：
当Nb5＋在B位掺杂时是作为施主掺杂离子 替代Ti4＋或者Zr4＋，这个时候掺杂会抑制 氧空位的产生，因而随着Nb离子掺杂浓度的增 大，薄膜中的氧空位会减小，这样薄膜的极化 强度也会随着减小。
用量（mol） 0.5
1.15（过量15%） 0.5 4.0
PZT薄膜的制备流程
1. 计算出各原材料的质量或体积 2. 乙酸铅＋乙二醇甲醚，120℃回流加热30min 3. 硝酸锆＋乙二醇甲醚，加热搅拌 4. 钛酸四丁酯＋乙二醇甲醚，与上述两溶液混合 5. 搅拌12h后，定容、过滤 6. ITO/glass基片上以3000～5000r/min的速度匀胶
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Voltage (V)
• 综合比较各
温度下PZT铁 电薄膜的铁电、 介电、漏电流 性能，600度的 退火温度效果 最好。
3. PCZT铁电薄膜制备及性能研究
3.1 PCZT薄膜的制备
• 乙酸钴（Co(CH3COO)2·4H2O）
• 工艺流程- as mentioned above
• 对于PZT这一类的铁电薄膜，漏电流主要来源于高温退火过程中
产生的铅空位和氧空位。
4. PCNZT薄膜制备及性能研究
4.1 PCNZT薄膜的制备
• 乙醇铌（Niobium ethoxide） • 减小漏电流 • 工艺流程见第二章
4.2 PCNZT薄膜的X射线衍射图
Intensity (a.u.) (0 0 1) (1 0 0)
Electric Field (KV/cm)
80
(b)5500C
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
Electric Field (KV/cm)
80
(c)6000C
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
-100 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
Electric Field (KV/cm)
Proportion of Co-doped 0mol% 5mol% 10mol% 15mol%
Pr (μC/cm2) 36.5 43.8 58.6 42.0
EC (KV/cm) 45.2 51.6 67.3 68.9
Polarization (10-6C/cm2) Polarization (10-6C/cm2)
(1 0 1)
(0 2 2) (2 2 0)
(1 1 1) (0 0 2) (2 0 0)
(1 0 2) (2 0 1) (1 1 2) (2 1 1)
.Pyrochlore phase
2. 薄膜呈以（1 0 1） 为首要方向的多晶
.
结构
600oC
..
550oC 3. 有（2 2 2）方向的
500oC
30s 7. 400℃热处理4 min，500600℃退火处理4 min 8. 重复6、7步，最后一层在氧气气氛的条件下，在
500600℃退火处理20 min
2.2 PZT铁电薄膜的X射线衍射图
Intensity (a.u.) (0 0 1) (1 0 0)
1. 600℃时，PZT薄 膜结晶程度最好
Electric Field (KV/cm)
E越大，P越大；温度升高，Pr 增大，Ec 减小。
2.4 PZT铁电薄膜的介电性能
Dielectric constant Dissipation factor
1000 800 600 400 200
0 1
(a) 500 0C (b) 550 0C (c) 600 OC
(1 0 1)
(a): Co=10mol%,Nb=5mol% (b): Co=10mol%,Nb=0mol% (c): Co= 0mol%,Nb=0mol%
.Pyrochlore phase
1. 以（1 0 1） 为首选方向 的多晶薄膜
2. 没有出现焦 绿石相
(1 1 1) (0 0 2) (2 0 0)
Electric Field (KV/cm)
比较PZT与PCZT薄膜的铁电测试图：
1. Co掺杂后的PZT薄膜的剩余极化强度Pr明显 增大, Co=10mol% , Pr=58.6 c/cm2 。这个值 比大多数文献报道的掺杂或不掺杂的PZT薄 膜的剩余极化强度Pr大 。
2. PCZT薄膜的矫顽场Ec比PZT薄膜要大，而 且随着掺杂比例的增大而增大。
杂离子Nb5＋
600