择优取向PLZST薄膜的微观结构及电热效应研究

论文摘要

铁电材料在绝热条件下去极化其温度降低,称为电热效应（ECE）。利用铁电材料的电热效应制成的制冷器具有结构简单无机械运动部件、控制灵活、能量转换率高、成本低、环境友好等优点,与传统制冷相比,在小体系和小负荷的制冷场合（MEMS系统）进行局部制冷,具有独特的优势。本文采用溶胶-凝胶法结合快速热处理技术（RTA）在Pt、PbO、LaNiO3（LNO）上分别制备了择优取向Pb0.97La0.02Zr0.82Sn0.15Ti0.03O3反铁电薄膜（简记为PLZST）及PLZST/Pt/PLZST、PLZST/LNO/PLZST叠层化结构薄膜。采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等手段研究了PLZST薄膜的显微组织结构,并对其取向生长机制进行了探讨。界面处生成的中间化合物或种子层对PLZST薄膜的取向具有控制作用。生成的界面化合物与PLZST的（111）相匹配,经过650℃下RTA处理后,薄膜以界面化合物为种子层异质成核生长,得到（111）择优取向薄膜。过渡层化合物与PLZST的（100）相匹配,经RTA处理后,薄膜为（100）择优取向。SEM分析表明,不同择优取向PLZST薄膜的表面形貌存在差异。对择优取向PLZST薄膜的铁电和介电性能进行了系统研究。PLZST薄膜在外加电场的诱导下呈现双电滞回线,表现出了良好的反铁电性能。薄膜的变温电滞回线测试表明,随温度的升高PLZST薄膜依次发生反铁电（AFE）-铁电（FE）-顺电（PE）相转变。然后,降温测试,薄膜依次发生顺电（PE）-铁电（FE）-反铁电（AFE）相转变。薄膜的变温介电谱测试结果表明,PLZST薄膜的居里温度较富锆PZT有所降低。说明了La、Sn对富锆PZT的取代,能扩大和稳定富锆PZT的反铁电相区,降低富锆PZT的居里温度。对不同择优取向PLZST薄膜进行电热效应评价。分析表明,PLZST薄膜的电热温变随温度的升高先增加,后降低,在居里温度附近达到最大值,且（111）-择优取向PLZST薄膜的电热效应要优于（100）-择优取向薄膜。最后,对PLZST薄膜叠层化体系的电热效应进行了分析,并对在无氟制冷器的研制和MEMS系统中的制冷应用进行了初步探讨。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 铁电材料电热效应的研究现状
• 1.2.1 体相材料的电热效应研究进展
• 1.2.2 薄膜材料的电热效应研究进展
• 1.2.3 薄膜材料叠层化的电热效应研究进展
• 1.3 PZT基铁电致冷用材料的概述
• 1.3.1 PZT的晶体结构及特征
• 1.3.2 PZT基反铁电材料的性能与应用
• 1.3.3 电热材料的制冷原理
• 1.4 PZT体系薄膜材料的制备技术
• 1.4.1 脉冲激光法（PLD）
• 1.4.2 金属有机化合物气相沉积法
• 1.4.3 溅射法
• 1.4.4 溶胶-凝胶法
• 1.5 本课题的主要研究内容
• 第2章 试验材料及研究方法
• 2.1 材料制备
• 2.1.1 制备溶胶的实验原料
• 2.1.2 薄膜制备的仪器
• 2.2 薄膜的物相、形貌分析
• 2.2.1 薄膜的XRD分析
• 2.2.2 薄膜的表面、断面形貌分析
• 2.3 薄膜的铁电性能和介电性能测试
• 2.3.1 顶电极的制备
• 2.3.2 薄膜的铁电性能测试
• 2.3.3 薄膜的介电性能测试
• 第3章 PLZST 择优取向薄膜的制备及微结构
• 3.1 引言
• 3.2 溶胶的制备
• 3.2.1 PLZST溶胶的制备
• 3.2.2 LNO溶胶的制备
• 3.3 薄膜的制备
• 3.4 PLZST薄膜的相组成及取向性
• 3.4.1 Pt上PLZST薄膜的相组成及取向
• 3.4.2 PbO上PLZST薄膜的相组成及取向
• 3.5 PLZST薄膜的织构
• 3.5.1 薄膜纤维织构的ω-扫描分析
• 3.5.2 PLZST薄膜的织构分析
• 3.6 PLZST薄膜的形貌分析
• 3.7 叠层化薄膜的制备
• 3.8 叠层PLZST薄膜相组成及取向
• 3.9 PLZST薄膜叠层化的形貌分析
• 3.10 本章小结
• 第4章 PLZST 薄膜的铁电及介电性能
• 4.1 PLZST薄膜的电滞回线
• 4.2 PLZST薄膜的疲劳特性
• 4.3 PLZST薄膜的I-V特性
• 4.4 PLZST薄膜的变频介电谱
• 4.5 PLZST薄膜的变温介电谱
• 4.6 本章小结
• 第5章 PLZST 薄膜的电热性能
• 5.1 （111）-择优取向PLZST薄膜的电热效应
• 5.2 （100）-择优取向PLZST薄膜的电热效应
• 5.2.1 PbO+PLZST薄膜的电热效应
• 5.2.2 LNO+PLZST薄膜的电热效应
• 5.3 薄膜叠层化的电热效应
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢