pzt薄膜的铁电性和极化反转特性研究

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1、摘要Vb(Zr。Tii—x)03铁电材料由于具备优良的铁电性、热释电性、压电性和光学特性等，受到人们的普遍关注，特别是它具备高的介电常数和剩余极化，从而成为制作非易失铁电随机存储器(FRAM)的重要材料。本论文主要针对FRAM用PZT铁电薄膜进行了研究，对薄膜厚度和晶粒尺寸与薄膜的铁电性和极化反转电流的关系进行了实验和理论分析。对控制薄膜不同取向生长的机理进行了探讨，并对薄膜结晶取向对铁电性和疲劳的影响进行了讨论。采用射频磁控溅射法制各了PZT／Pt／Si02／Sj结构的铁电电容，然后通过快速热

2、处理工艺在不同温度下退火，获得了不同晶粒尺寸的PZT铁电薄膜。对薄膜铁电性的测试表明，随晶粒尺寸的增加，薄膜的极化强度逐渐增加，薄膜的矫顽场表现为先增加后逐渐减小。分析认为，这是由于随晶粒的长大，薄膜极化反转的机制发生了改变，如薄膜内的电畴结构，随晶粒增大，由单畴逐步向多畴过渡。并运用横场Ising模型对实验现象进行了理论分析，结果表明理论模型与实验符合较好。对不同的PZT铁电薄膜的极化反转电流进行了实验和理论研究。在KAI模型的基础上，考虑有／无潜在核两种类型同时对极化反转电流的贡献，我们建立

3、了一个叠加模型，与实验数据的比较表明，模型与实验符合很好。并在此模型的基础上讨论了电场强度、温度、薄膜厚度对极化反转电流的影响。通过传统退火和快速退火方式，成功的制备了(111)和(100)不同择优取向的PZT铁电薄膜，对影响薄膜取向生长的机理进行了讨论，实验结果表明，在退火过程中，升温速率是决定薄膜不同择优生长的重要因素之一。讨论了薄膜的织构对铁电性和疲劳特性的关系，(111)取向的薄膜与(100)取向的薄膜相比，具有较大剩余极化和矫顽场，而(100)取向的薄膜的疲劳特性却较好。关键词：铁电薄

4、膜，极化反转，矫顽场，尺寸效应，疲劳特性AbstractLeadzirconatetitartatehassuperiorferroelectric，pyroelectric，andpiezoelectriccharacteristics，andithasbeenstudiedwidelysince60’oflastcentury．Especially,PZTisoneofmostpromisingferroelectricmaterialsfornon-volatilerandomaccess

5、memoriesbecauseofhighdielectricconstant，highremnantpolarizationandhighcuriepoint．Inthiswork，theinfluencesofthicknessandgrainsizeonferroelectric，polarizationswitchingcurrenthavebeenstudiedinexperimentsandtheoreticalanalyses．Wehaveinvestigatedthefilmor

6、ientationmechanismintheheattreatmentprocessing．Thefilmswithdifferentorientationhavebeenobtained．Meanwhile，wediscussedtheinfluenceoforientationOnthefcrroelectrieandfatigueproperties．Pb(Zr055Ti045)03thinfilmswerepreparedonthePt(111)／Ti／Si02／Si(100)subs

7、tratesbyradiofrequencymagnetronsputteringmethod，thenthefilmswereannealedatvarioustemperaturebyarapidthermalannealingprocessinordertoobtaindifferentgrainsizes．TheexperimentresultsshowedthatthegrainsizestronglyinfluencedtheferroelectricpropertiesofPZTt

8、hinfilms．Withthegrainsizeincreasing，thesaturatedpolarizationWaSenhanced，whilethecoercivefieldincreasedfirstlyandthendecreased．Onepossibleexplanationcouldbethatthemechanismofpolarizationswitchinghavechangedwitllthegainsizeincreasing．thedomainstructure