準(zhǔn)同型相界鈦酸鉍鈉基無鉛鐵電薄膜的制備及其性能研究

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1、第41卷第6期2012年12月上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JournalofShanghaiNormalUniversity(NaturalSciences)Vol．41，No．6Dec．，2012準(zhǔn)同型相界鈦酸鉍鈉基無鉛鐵電薄膜的制備及其性能研究金成超，王飛飛，石旺舟*，姚其容(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院，上海200234)摘要:發(fā)展環(huán)境友好的傳感器、存貯器及換能器用鐵電與壓電薄膜是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一．采用脈沖激光沉積(PLD)的方法，通過優(yōu)化制備工藝，引入La0．6Sr0．4CoO3(LSCO)作為緩沖層，在Pt/Ti/SiO2/S

2、i襯底上制備了準(zhǔn)同型相界組分摻雜微量Mn元素的Bi0．5Na0．5TiO3－BaTiO334薄膜，并對(duì)其相結(jié)構(gòu)、微觀形貌、鐵電、介電等性能進(jìn)行了研究．結(jié)果表明:該薄膜具有純鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)致密，顯示出良好的電性能，其中剩余極化可達(dá)到1．15×10－1C·m－2，1kHz下薄膜的相對(duì)介電常數(shù)約1000．關(guān)鍵詞:無鉛薄膜;中圖分類號(hào):TB34PLD;介電性;鐵電性文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-5137(2012)06-0653-05引言0從20世紀(jì)80年代至今，薄膜制備技術(shù)的迅速發(fā)展，引起了人們對(duì)于鐵電壓電薄膜在存貯器、微電子機(jī)械系

3、統(tǒng)、高頻微電子等領(lǐng)域中應(yīng)用的濃厚興趣，世界各國(guó)爭(zhēng)相開展鐵電壓電薄膜的制備研究，應(yīng)用領(lǐng)域遍及通信、傳感、醫(yī)療、航天、機(jī)械、生物等眾多領(lǐng)域［1－2］．其中，組分位于準(zhǔn)同型相界(MPB)附近的壓電材料以其優(yōu)越的機(jī)電響應(yīng)性能被廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)器、傳感器中［3］．但值得注意的是，這些傳統(tǒng)的壓電體系中含有大量的鉛元素，在制備過程中極易造成環(huán)境污染，所以，開展無鉛壓電材料的研究已經(jīng)成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一．目前的無鉛壓電體系中，主要以鈦酸鋇(BT)、鈦酸鉍鈉(BNT)以及鈮酸鉀鈉(KNN)基為代表，相比之下，BNT基壓電材料兼有比較高的壓電

4、系數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)和高的退極化溫度，吸引了廣泛的研究興趣．制備了多種不同的固溶體系，例如，(Bi0．5Na0．5)TiO3－BaTiO3(BNT－BT)［4］，(BiNa)TiO－BaTiO－SrTiO［5］以及(Bi)NbO［6］等．Na)TiO－BaTiO－(KNa0．50．53330．50．5330．50．53與體材料相比，相應(yīng)的薄膜體系研究還相對(duì)較少．2004年，Tang等人利用sol－gel法在［7］Pt/Ti/SiO2/Si襯底上制備了＜111＞取向的純BNT薄膜;2008年，Wang等人采用脈沖激光沉積－1(PLD)方

5、法在Pt襯底上制備的(Bi0．5Na1－x－yKxLiy)0．5TiO3薄膜，其剩余極化達(dá)到了1．39×10C·m－2［8］．為了進(jìn)一步提高電學(xué)性能，2010年，Wang等人在(LaAlO)(SrAlTaO)單晶襯底上制30．3260．35備出了外延的BNT基薄膜，剩余極化高達(dá)2．95×10－1C·m－2［9］．最近，Guo等人在Si襯底上制備了BaTiO3/BNT－BT/BaTiO3多層膜結(jié)構(gòu)，通過在上下電極與BNT－BT薄膜之間引入了緩沖層BaTiO3，使薄膜的性能有了顯著提高［10］．但總體上來看，目前Si襯底上制備的薄膜性能

6、與對(duì)應(yīng)的體材料相比仍有收稿日期:2012-11-10基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51071105，11204179)作者簡(jiǎn)介:金成超(1988－)，男，上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院光電子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生;石旺舟(1963－)，男，上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院光電子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授．通過前期對(duì)單晶體系的研究發(fā)現(xiàn)，組分在MPB附近、摻雜微量Mn元素后的BNT－BT，表現(xiàn)出優(yōu)異的壓電及機(jī)電耦合性能，其壓電系數(shù)d33高達(dá)483pC/N，基于此，本實(shí)驗(yàn)選擇摻Mn的BNT－BT陶瓷作為靶材，開展相應(yīng)的薄膜體系研究，為進(jìn)一步優(yōu)化薄膜微結(jié)構(gòu)、

7、形貌，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其宏觀電學(xué)性能調(diào)控，［11］選用了與其結(jié)構(gòu)及晶格常數(shù)都接近的La1－xSr1－xCoO3作為緩沖層，對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)、微觀形貌、鐵電與介電等性能進(jìn)行了研究．1實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)的固相燒結(jié)法制備了La0．6Sr0．4CoO3(LSCO)和0．935Bi0．5Na0．5TiO3－0．065BaTiO3－0．005Mn(BNBMT)靶材［12］．通過優(yōu)化制備工藝參數(shù)，利用PLD方法在Pt/Ti/SiO/Si襯底上先后沉積LSCO2和BNBMT薄膜．制備LSCO薄膜條件為:激光能量300mJ，頻率5Hz，靶基距離5．5cm，沉積過程氧

8、壓保持30Pa，沉積溫度575℃，沉積時(shí)間45min．制備BNBMT薄膜層的工藝參數(shù)為:激光能量300mJ，頻率8Hz，靶基距離5．5cm，沉積過程氧壓保持30Pa，沉積溫度720℃，沉積時(shí)間60min．利用X射線衍射儀(D8Focu