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pz薄膜的制备与应用

由于电子技术、信息技术和控制技术的发展需要简化和整合必要的设备,并对新材料提出了新的要求。在21世纪,人们认为它是一个以智能材料(zr,ti)和敏感材料(智能材料)为代表的智能材料时代pzt就是这样一个智能材料。所谓pzt是指pb(zr,ti)o3功能陶瓷。这是abo3的钙钛矿结构。zr。ti位于氧八面体的中心,pb位于氧八面体的之间。由于其良好的电压性能、热稳定性、铁电性、电气性能和电气工程性能,pzt功能膜被广泛用于传感器、模拟器和各种精密仪器的控制。由于第一个简单的电压振子,仪器仪发展到能源、信息、军事等高科技领域。扫描隧道显微镜、超声波医疗技术、自动聚焦摄像头、哈博天文望远镜等。然而,疲劳、老化和极化时间的延长严重影响了pzt薄膜的应用。

1不同沉积方法的对比

PZT薄膜因它们具有优良的压电性能,热电性能,铁电性能和介电性能而被广泛地研究.制备PZT薄膜的方法主要有化学沉积和物理沉积,目前用到的具体方法有:金属有机化学气相沉积法(MOCVD),溶胶—凝胶法(Sol-gel)它包括有胚种(seed)和无胚种(unseed)两种,催化化学气相沉积法(CatalyticCVD),脉冲激光沉积法(PulsedLaserPosition),反应脉冲沉积法(ReactivePulsedDeposition),电子束沉积法(Electron-beamDeposition),等离子体激活的化学气相沉积法(PECVD),溅射法(Sputtering)包括反应溅射(ReactiveSputtering),磁控溅射(MagnetronSputtering),射频溅射(RadioFrequencySputtering)等.目前每种方法都在使用,各种方法都有自己的特点(如表1).具体情况可参阅有关资料.

2微观结构与性能

2.1电容器电极的制备和电化学

PZT薄膜器件的基本结构是铁电薄膜夹在作为上下电极的导电膜中构成的三层异质结.因为铁电薄膜要淀积在下电极上,其结构直接决定铁电薄膜的结构和取向,所以电极材料的选择至为关键.以前,人们用的电极是Au,Ag,Pt等,它们的主要优点是能抗高温氧化,电阻率小,与大规模集成电路相容性好,主要缺点是其结构与多数具有钙钛矿结构的铁电体完全不兼容,铁电薄膜既不能外延生长在金属薄膜上,也生长不出单晶结构的薄膜.对Pt作电极的电容器的疲劳是如何产生的?一部分基于空间电荷和畴壁旋转,认为疲劳与树枝状的缺氧丝有关,即块状效应.另一种认为是铁电体和电极界面缺陷引起疲劳.近年来,一些氧化物电极,例如RuOx和IrO2以及其它氧化物被用来代替传统的Au,Ag,Pt,这些氧化物的结构与铁电体相似,能防止PZT电容器的疲劳并可得外延生长膜,以RuOx作电极,这种电容器不易疲劳甚至没有疲劳.科学家们一直在对电极进行研究,也取得了巨大的进展.20世纪90年代初期,人们认识到作为电极的材料应具备以下条件:(1)与薄膜材料晶格匹配和具有良好的化学相容性;(2)与薄膜材料有相近的热膨胀系数.

2.2pb-c-t薄膜的形成过程主要受pb制pb的影响

微观结构和化学成分是影响材料性质的主要方面.PZT是ABO3型结构,这种钙钛矿结构从本质上说对铁电性的出现是有利的,而且钙钛矿结构又具有很强的通融性,以至于可以用多种不同化合价的离子置换A或B离子.在PZT薄膜中钙钛矿结构是我们需要的.但是,由于形成烧绿石比形成钙钛矿结构需要的激活能低,在PZT薄膜形成中经常形成烧绿石,而烧绿石介电常数低,严重地影响了PZT薄膜的可靠性能.不过升高温度时,烧绿石能转化成钙钛矿结构,所以通过后续热处理可以得到纯钙钛矿结构,这在一些应用中已经被证实.也可以通过控制工艺,如提高基板温度,一般温度高于400℃,烧绿石不形成.也可以通过控制成分得到纯钙钛矿结构,Pb缺乏时,易形成烧绿石,所以可以加入过量的Pb控制烧绿石的形成.虽然可以控制某些性能,科学家也在研究如何改善其性能,如通过添加一些杂质元素(Nb和La)到PZT中.在单相成分中,施主杂质的有益影响和在第二相晶界的有害影响以及对漏电电流的影响也已见报到.如何控制PZT的化学成分,尤其是其中Pb的成分,如何利用通融性与其它元素组合改善性能都有待于进一步研究.

2.3外延生长薄膜的一种应用

PZT薄膜结晶取向以及沿某一方向结晶度的多少对其性能影响很大.据报道,PZT薄膜以(111)方向生长性能最好,如何获得完全(111)取向的PZT薄膜是一个值得研究的问题.铁电薄膜的多晶结构对薄膜的性能有极坏的影响.晶界是电荷分离导致电荷衰减的场所,这些界面也是化学偏析和第二相形成的场所.因此,器件的疲劳,老化,极化反转时间的延长等受多晶结构的影响.虽然采用压电单晶传

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