PT種子層對PZT薄膜結晶及壓電性能的影響

李　磊,余遠根,姜　濤,祝元坤*,王現英,鄭學軍

(1.上海理工大學 機械工程學院,上海　200093;2.上海理工大學 材料科學與工程學院,上海　200093)

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PT種子層對PZT薄膜結晶及壓電性能的影響

李磊1,余遠根1,姜濤2,祝元坤2*,王現英2,鄭學軍2

(1.上海理工大學 機械工程學院,上海200093;2.上海理工大學 材料科學與工程學院,上海200093)

摘要采用溶膠-凝膠法(Sol-Gel)在Pt/Si襯底上制備了PbTiO3 (PT)薄膜和Pb (Zrx,Ti(1-x))O3(PZT)薄膜,研究了退火溫度以及PT種子層對PZT薄膜結晶及壓電性能的影響。X射線衍射(XRD)結果表明,制備的PZT薄膜為純鈣鈦礦結構的多晶薄膜,有PT種子層的PZT薄膜晶粒尺寸更大,(110)面取向度更高,結晶性能更好;原子力顯微鏡(AFM)結果表明,制備的薄膜表面形貌比較平整、均勻、無裂紋;壓電力顯微鏡(PFM)結果表明,壓電力顯微鏡(PFM)結果表明,有PT種子層時,PZT薄膜的平均壓電系數d(33)為128～237 pm/V,無PT種子層時平均壓電系數d(33)為21～29 pm/V。在升溫速率為10 ℃/s的退火條件下保溫10 min時,隨著退火溫度的升高,PZT薄膜晶粒尺寸增大,粗糙度增大,(110)面取向度升高,平均壓電系數d(33)增大。PT種子層能夠有效的改善PZT薄膜的結晶性能和壓電性能。

關鍵詞溶膠-凝膠法;PZT薄膜;退火溫度;鈣鈦礦結構;PT種子層;壓電系數

鋯鈦酸鉛(PZT)薄膜具有高介電常數、低介質損耗、低漏電流以及優異的鐵電、熱釋電性能等優點,因此廣泛應用于微機電系統(MEMS)中,如鐵電隨機存儲器[1]、數字開關[2]、振動能量收集器[3-4]和壓電質子交換膜燃料電池[5-6]等。PZT的性能與結晶度密切相關,大量的研究表明,由于PZT與Pt/Si(100)基底的晶格常數和熱膨脹系數差異較大,PZT在Pt/Si基底上的結晶性能不佳,從而影響薄膜的電學性能。……