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Pb（Zr，Ti）O3铁电薄膜的制备、性能及激光感生热电电压效应研究

2020-12-01阅读(878)

Pb（Zr，Ti）O3铁电薄膜的制备、性能及激光感生热电电压效应研究

论文摘要

铁电薄膜材料由于具有一系列的优良特性,已成为当代信息科学研究的一个重要领域。1990年激光感生热电电压效应（Laser-induced Thermoelectric Voltage-LITV）也成为20世纪科学研究的一个重大发现,该发现引出了原子层热电堆的概念,许多晶体都是原子层组成的却表现出LITV效应。但是铁电薄膜中的LITV效应至今仍然没有任何文献报道过,由于多铁（Multiferrotic）性的研究成为国际上的一个热点,多种效应的交叉不仅提出新的物理问题,也会导致新的应用,因此铁电薄膜中的LITV效应值得深入研究。本论文主要围绕单晶衬底上制备Pb（Zr,Ti）O3（PZT）铁电薄膜的工艺和铁电薄膜的激光感生热电电压效应（Laser-induced Thermoelectric Voltage-LITV）这两方面进行了研究,获得的一些结果概括为如下:1.预烧温度850℃、正式烧结1050℃是采用固相法制备PZT靶材的最佳温度,基本能形成单一钙钛矿结构。2.对于在LaSrAlTaO3（LSAT）单晶衬底上生长的Pb(ZrxTi1-x)O3铁电薄膜:当x=0.3时,薄膜生长取向随着沉积温度的增加,从550℃下的c轴择优生长逐渐过渡到750℃下的a轴择优生长,且相当有规律;当x=0.8时,低温下（550℃）薄膜还存在焦绿石相位,钙钛矿相位并未形成,随着温度的增加,逐渐形成纯钙钛矿相位,在700℃左右是此薄膜的最佳沉积温度;当x=0.53时,薄膜材料位于准相位边界附近,其性质介于两者之间,组分影响因素较大,700℃左右是此薄膜的最佳沉积温度;对于在LaAlO3（LAO）单晶衬下上生长的Pb(ZrxTi1-x)O3铁电薄膜:与在LSAT衬底上的生长趋势相似,但在LAO衬底上生长的PZT铁电薄膜一般都需要更高的沉积温度才能形成单一钙钛矿相位,薄膜的最佳沉积温度也比在LSAT衬底上沉积时要高。3.Pb的过量不利于PZT薄膜的择优取向生长。此时,薄膜沿a轴取向和c轴取向混合生长,从550℃逐渐过渡到750℃薄膜取向并无明显变化,而且衍射峰强度较弱。4.首次在PZT铁电薄膜中发现了LITV效应。在LSAT、LAO和SrTiO3（STO）三种不同的单晶20o倾斜的衬底上成功制备了Pb(Zr0.3Ti0.7)O3铁电薄膜,首次在PZT铁电薄膜中发现了LITV效应,发现薄膜在STO衬底上的LITV信号的优值最大。同时研究了薄膜不同生长取向对LITV信号的影响,发现:薄膜沿c轴取向择优生长时LITV信号大,而且随着激光能量的增加呈很好的线形关系增大,而在薄膜沿a轴择优生长时LITV信号小,并无明显的变化规律。运用原子层热电堆模型和LITV信号公式对此现象做出了解释,说明了PZT薄膜中的LIV效应是热电电压效应,Seebeck系数的各向异性起着重要作用。5.对在STO和LAO两种单晶的10o和20o倾斜衬底上制备的Pb(Zr0.3Ti0.7)O3铁电薄膜研究了倾斜角度对LITV信号的影响。发现:随着衬底倾斜角度的增加,LITV信号也逐渐增强,与感生电压公式相吻合,Up正比于sin（2α）。利用在薄膜两端并联电阻实现阻抗匹配的方法,改善了LITV信号的响应性能。激光感生电压上升沿时间由60ns下降到了26ns,半高宽由260ns下降到了38ns。说明这类薄膜中的脉冲激光感生电压信号响应时间快,达纳秒量级,能用于快响应的光探测器。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 引言
  • 1.1 铁电薄膜材料
  • 1.1.1 铁电薄膜材料的历史和现状
  • 1.1.1.1 PZT 铁电薄膜材料的生长现状
  • 1.1.1.2 其它铁电薄膜的生长现状
  • 1.1.2 铁电薄膜存储器
  • 1.1.2.1 非挥发铁电存储器
  • 1.1.2.2 铁电动态随机存取存储器（DRAM）
  • 1.2 激光感生热电电压效应
  • 1.2.1 激光感生热电电压信号的发现和理论的发展
  • 1.2.2 LITV 公式的研究
  • 1.2.3 LITV 效应的应用
  • 1.3 脉冲激光沉积薄膜技术
  • 1.3.1 PLD 的发展历史
  • 1.3.2 PLD 系统组成
  • 1.3.3 PLD 工作原理
  • 1.3.4 PLD 的技术特点和优势
  • 1.4 本论文的选题依据和研究内容
  • 3铁电薄膜的制备工艺和性质研究'>第二章 PB（ZR,TI）O3铁电薄膜的制备工艺和性质研究
  • 3 多晶体靶材的制备'>2.1 PB（ZR,TI）O3多晶体靶材的制备
  • 2.1.1 概述
  • 2.1.2 样品表征
  • 2.1.2.1 X-射线衍射（XRD）分析技术
  • 2.1.2.2 原子力显微镜（AFM）
  • 2.1.3 固相法制备PZT 多晶靶材过程
  • 2.1.3.1 原料计算、样品称量
  • 2.1.3.2 研磨和预烧
  • 2.1.3.3 压片成型
  • 2.1.3.4 正式烧结、退火及取样
  • 2.1.4 多晶靶材实验结果及讨论
  • 3 铁电薄膜的制备和性质'>2.2 PB（ZR,TI）O3铁电薄膜的制备和性质
  • 2.2.1 概述
  • 2.2.2 PZT 铁电薄膜的制备
  • 2.2.2.1 PLD 制备铁电PZT 薄膜过程
  • 2.2.2.2 实验系统及参数
  • 2.2.3 结果与讨论
  • 0.3Ti0.7)O3（x=0.3）铁电薄膜分析'>2.2.3.1 Pb(Zr0.3Ti0.7)O3（x=0.3）铁电薄膜分析
  • 1.1(Zr0.3Ti0.7)O3（x=0.3）铁电薄膜分析'>2.2.3.2 Pb1.1(Zr0.3Ti0.7)O3（x=0.3）铁电薄膜分析
  • 0.8Ti0.2)O3（x=0.8）铁电薄膜分析'>2.2.3.3 Pb(Zr0.8Ti0.2)O3（x=0.8）铁电薄膜分析
  • 0.53Ti0.47)O3（x=0.53）铁电薄膜分析'>2.2.3.4 Pb(Zr0.53Ti0.47)O3（x=0.53）铁电薄膜分析
  • 2.2.3.5 不同掺杂和不同铅含量对薄膜沉积的影响
  • 2.2.3.6 铁电性质的测试
  • 2.3 本章小结
  • 3铁电薄膜的激光感生电压效应研究'>第三章 PB（ZR,TI）O3铁电薄膜的激光感生电压效应研究
  • 3.1 概述
  • 3.2 LITV 信号的实验装置和实验过程
  • 3.3 结果与讨论
  • 3.3.1 首次在PZT 薄膜中发现LITV 效应
  • 3.3.2 薄膜择优取向对LITV 信号的影响
  • 3.3.3 LITV 信号的改善
  • 3.3.4 不同倾斜角度对LITV 信号的影响
  • 3.3.4.1 STO 倾斜衬底上的LITV 信号
  • 3.3.4.2 LAO 倾斜衬底上的LITV 信号
  • 3.4 本章小结
  • 第四章 结论与展望
  • 4.1 总结
  • 4.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录：攻读硕士期间取得的研究成果

    • 相关论文文献

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