壓電MEMS用PZT薄膜的外延生長及摻雜改性研究.pdf

1、近年來，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，市場上出現(xiàn)了眾多的MEMS器件和產(chǎn)品，但是如何給MEMS器件供電成了目前需要解決的問題。壓電薄膜可以實現(xiàn)振動能到電能的轉(zhuǎn)換，這引起了人們對壓電薄膜材料在環(huán)境能量收集器中應(yīng)用的關(guān)注。高性能的MEMS器件對所用材料的性能和結(jié)構(gòu)都有很高的要求。PZT基壓電薄膜由于其優(yōu)異的壓電、鐵電和介電性能，成為了目前能量收集MEMS應(yīng)用的研究熱點。本論文利用磁控濺射技術(shù)制備高質(zhì)量的PZT基壓電薄膜，探索薄膜的外延生長工藝并進

2、行結(jié)構(gòu)、性能表征，選擇弛豫鐵電體鈮鎳酸鉛(Pb(Ni1/3Nb2/3)O3,PNN)作為固溶摻入，研究PZT-PNN體系的結(jié)構(gòu)和性能隨PNN含量的變化關(guān)系。
　　利用磁控濺射技術(shù)制備了PZT(50/50)薄膜。在用傳統(tǒng)陶瓷靶材濺射薄膜的基礎(chǔ)上，提出了使用活性較高的粉體靶材來濺射制備PZT壓電薄膜。在此基礎(chǔ)上，在(111)Pt/TiO2/SiO2/Si襯底上獲得隨機取向的多晶薄膜，并且沒發(fā)現(xiàn)雜相。襯底溫度的升高有利于提高結(jié)晶性能，獲

3、得表面平整的薄膜，但是隨之繼續(xù)升高導(dǎo)致PbO嚴重揮發(fā)，降低了薄膜的壓電、鐵電性能。PbO含量的增加有利于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的形成，但是過高的百分比使PZT薄膜中形成了多數(shù)氧化物而影響了PZT薄膜的結(jié)構(gòu)。最佳生長條件為PbO過量10mol.％、750℃、0.6Pa、Ar/O=20/1。
　　在單晶(001)SrTiO3和(001)MgO襯底上沉積出外延性良好的薄膜。在MgO襯底上獲得具有壓縮應(yīng)力的外延薄膜，顯示出更強的向上自發(fā)極化現(xiàn)象，具有

4、明顯的極化反轉(zhuǎn)特性和壓電響應(yīng)，并且認為這種性質(zhì)是由薄膜內(nèi)部較大的外延壓縮應(yīng)力所導(dǎo)致的。該薄膜還具有較好的宏觀鐵電性能，Pr為100.1μC/cm2。
　　利用磁控濺射技術(shù)制備了(1-x)PZT-xPNN(x=0.05,0.10,0.15)薄膜。研究發(fā)現(xiàn)不同PNN摻入量的樣品都形成了具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的PZT-PNN固溶體系。隨著PNN含量的增加，PZT-PNN薄膜的結(jié)構(gòu)四方度增加。在x=0.05的薄膜結(jié)構(gòu)位于該體系的準同型相界(MPB

5、)附近，其MPB與陶瓷材料的偏差是由于內(nèi)部殘余應(yīng)力導(dǎo)致的。薄膜晶粒生長均勻，表面致密平整，隨著PNN含量的增加，晶粒尺寸和表面粗糙度都逐漸增大。x=0.05的薄膜顯示出趨近于飽和的電滯回線和較好的介電性，剩余極化強度Pr約為99.1μC/cm2，飽和極化強度PS約為124μC/cm2，矯頑電壓EC約為57.5kV/cm，介電常數(shù)為2030。壓電性能測試結(jié)果表明在0.15PZT-0.05PNN薄膜中其面外極化性能較好，具有最佳的壓電響應(yīng)特