钛锆酸铅和聚偏氟乙烯共聚物铁电薄膜的制备工艺与电学表征

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1、障碍，特别是能在不同衬底材抖上沉积高质量的外延或择优取向的薄膜．使铁电薄膜技术和半导体技术的兼容成为t口能。由于人工铁电材料种类的不断扩大，特别是铁电薄膜制备技术和微电子集成技术的长足发展，以及光电予和传感器等相关技术的发展，也对铁电材料提出了小型化、集成化等更高的要求。正是在这样的研究背景下．传统的半导体材料和陶瓷材料结合而形成新的交叉学科一集成铁电学(IntegratedFerroelectrics)出现了，并由此使铁屯材料及其热释电器件的研究和开发呈现2个特点：①是由体材料组成的器件向薄膜器件过渡：②是由分立器件向集成化器件发展。正是

2、在这种集成化器件中铁电薄膜已经成为硅或砷化镓集成电路的重要组成部分。并且集成铁电学已经成为国际铁电学研究中最活跃的领域，如集成铁电电子器件。基于铁电薄膜的集成光电子学器件、集成光学器件、红外探测器、集成光波导和开关以及铁电薄膜超晶格的研究应用等已取得了很大进展。铁电薄膜材料还被广泛用于非易失性存储器、动感髓机存储器、薄膜电容器、红外探测器、介电热辐射铡量计、相存储器和光学传感器等等。复合成的集成器件或微小器件广泛地应用于军事、航空航天、原子核工业和其它辐射环境中使用的新一代计算机等很多领域。迄今为止，关于铁电材料的研究可以大体上分为四个阶段

3、pJ，第一阶段是1920年，1930年，这一阶段发现了两种铁电结构，即罗息盐和KHzP04系列。第二阶段是1940．1958年，铁电唯象理论开始建立，并趋于成熟。第三阶段是1959年到70年代，这是铁电软模理论出现和基本完善的时期．称为软模阶段。第四阶段是80年代到现在，主要研究各种非均匀系统。从物理学的角度来看，对铁电研究起了重要作用的的有三种理论，即Devonshire等的热力学理论，Slater的模型理论．Cochran和AndeP，oon的软模理论。在过去近几十年的时间里』4l，铁电薄膜的制备技术发展报快．应用堆广泛的有“溅射法”、

4、“溶胶．凝胶法”．“激光分子束外延法”、“脉冲激光沉积法”。从化学气相沉积法到磁控或射频溅射沉积法和溶胶一凝胶法部为制备性能卓越的铁也薄膜做了深入的探索。其中{弁腔．凝胶法刚殴各简单、成分易控制而倍受重视。现在，用这种方法已制各出了PzT【Pb(Zr，Ti)03l、BST[(Ba，Sr)Ti03】、PLZI[(Pb，La)(Zr，Ti)03]和PST[Pb(Sc，Ta)Os]等多种薄膜．其中很多具有良好的介电性及热释电性。1．3无机铁电材料锆钍酸铝(Pb(Zr㈣Ti)03．PZT)薄膜材料是当前应用虽广、研究晟深入的铁电材料。钙钛矿结构的P

5、ZT材料具有优异的热释电、压电和铁电性能，是制备热释电红外探铡器、微型压电驱动器、铁电存储器、铁电声纳换能器等器件的理想材料。圄；篆瓣圳嚣鞴“){b’图l_I钙铁矿塑晶体结构(啦方晶包抽，氧八面体晶包⋯PZT铁电材料的晶体结构是典型的钙钛矿型结构。钙钛矿型结构的化合物学通式为AB03，具体结构如图1．1(a】所示。其中A、B分别为金属离子．价为A2+B4+或A‘+B“。半径较大的A离子通常占据顶角的位置．半径较小的B则占据体心．面心分别为六个氧离子占据，氧离子形成一个氧八面体将B离子在中间，图1．1(b)就是氧八面体的示意图。结晶学上常用氧

6、八面体晶胞来表示矿型铁电体结构。整个晶体可看成由氧八面体共顶点连接而成．氧八面体之间隙由A离子占据。A和B的配位数分别为12和6。这些古氧八面体的铁电氧的自发极化主要来源于B位离子偏离氧八面体中心的位移o“l。PZT基反铁屯材料也具有ABOs钙钍矿结构，反铁电薄膜的电畴生眭和铁电薄膜的机制基本一样．对于PZT反铁电薄膜柬蜕，只要将PZl铁电薄膜的中的ZrFfi调整至95／5或更高配比即可。反铣电薄膜肓其特殊的性质，其平行的偶极子极化特性使得反铁屯薄膜在电场撤销后会发生反转，反铁电薄膜的剩余极化值重新归为零。反铁电薄膜的主要应用有两个方向．一

7、个是为铁电薄膜提供替代性的薄膜，在压电、高k介质、可调滤波电容等领域都可以和铁电薄膜相H替换，而且反铁电薄膜具有本身的优势．也就是它没有保持极化，这个特性可以在某些方面比铁屯薄膜更具备优势．例如，反铁电薄膜更适合在栅介质层作为高K介质。反铁电薄膜的另外一个应用方向是基于它本身的性质特点的，如在电荷存储器件领域，反铁电薄膜有着无可比拟的优势．不仅介电常数更高，而起具备晶向极化存储电荷的功能。这些存储的电荷能够在外场撤销的时候释放掉，因此反铁电薄膜更适台做电荷存储器件。反铁电薄膜也因为电畴的翻转比铁电更频繁．使得反铁电薄膜在交流电场作用下电畴翻

8、转对电场更敏感，因此在热电等领域存在着优势I?-lOt。1．4有机铁电聚合物材料固体物理学观点认为，压电、热释电和铁电性是晶体才具有的特性。在自然界32种点群结构中，只有具有非中