Sol-Gel法制備的PLZT薄膜的光電特性研究.pdf

1、鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)材料具有介電常數(shù)大、自發(fā)極化強、電光系數(shù)高、與現(xiàn)有的集成工藝相兼容等特點，因而在集成鐵電學以及集成光學特別是光通信器件領域有著非常好的應用前景。PLZT材料可以用于制作光通信器件，如高速光開關、可調諧濾波器以及寬帶光調制器等。在過去的二三十年里，PLZT鐵電薄膜在得到廣泛應用的同時，人們也發(fā)現(xiàn)了PLZT薄膜存在著不少問題，比較突出的有幾個方面，如：薄膜沉積溫度高、易開裂、疲勞特性差、電光性能與塊狀PLZT材料相去甚

2、遠等。 因此，與PLZT鐵電薄膜在集成鐵電微電子器件方面的應用相比，PLZT鐵電薄膜在集成光電子器件方面的應用始終不盡如人意。前者在上世紀90年代中期就已經(jīng)出現(xiàn)商業(yè)化的產(chǎn)品，而后者到目前為止還處在模型器件的研究階段。主要原因有兩個：一是PLZT薄膜加工工藝要求較高，難以刻蝕，從而導致器件的損耗較大：二是PLZT薄膜的光學性能，特別是電光系數(shù)，與薄膜組分、微觀結構以及制備工藝等因素密切相關，即使是同一組分，由于采用不同的制備方法或

3、工藝，得到的參數(shù)也不盡相同，有時甚至相差一個量級以上。這就給器件的研制以及大規(guī)模生產(chǎn)帶來了極大的困難。 在Pt/Ti/Si02/Si襯底上沉積的PLZT薄膜，疲勞問題比較突出。雖然采用氧化物如YBCO、LaNi03等作為電極代替Pt(鉑金)電極，可以改善PLzT鐵電薄膜的疲勞特性，但是，采用氧化物電極需要更高的沉積溫度，并且PLZT薄膜的介電損耗有所增大。在工業(yè)應用上，目前廣泛使用的電極仍然是Pt電極，因此，如何提高以Pt電極為

4、襯底的PlZT薄膜的疲勞特性，非常值得研究。 PLZT薄膜的性能與晶粒的取向有直接的關系。擇優(yōu)取向PLZT薄膜的性能比隨機取向的薄膜的性能要優(yōu)越得多，當前，擇優(yōu)取向的PlZT薄膜成為研究熱點之一。 本文主要對PlZT薄膜的制備及其介電、鐵電性能以及電光系數(shù)的測量等進行深入的理論和實驗研究。對采用溶膠．凝膠(SO1-Gel)法制備PLZT薄膜的關鍵工藝進行摸索，如：當薄膜厚度較厚時，如何避免退火過程中PLZT的開裂問題。通

5、過合理的工藝過程，制備出性能優(yōu)異、面積大的PLZT薄膜，具有高度擇優(yōu)取向、剩余極化大、矯頑場低等特點，同時具備較高的透明度和電光系數(shù)。借助X射線衍射技術(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)，分析PLZT薄膜的微觀結構，詳細討論了薄膜組分、薄膜厚度、襯底材料以及退火溫度對PLZT薄膜介電、鐵電和光學性能的影響。 本文首先回顧、總結了PLZT的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀。介紹了與介電、鐵電以及電光效應相關的理論知識及研究成果，包括自發(fā)極化、

6、電疇和疇壁運動及其對PLZT薄膜介電、鐵電和光學參數(shù)的影響，簡要介紹了PLZI薄膜的制備方法以及研究手段，描述了PLZT薄膜在集成鐵電學以及集成光學方面的重要應用。 以鍍有氧化銦錫(JTo)的普通玻璃為基底，在580℃相對較低的退（La)火溫度下成功制備出(110)擇優(yōu)取向的PLT鐵電薄膜，討論了摻鑭(La)量以及薄膜厚度對PLT薄膜的介電和光學性能的影響。采用分步退火的辦法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的一次性退火，有效地解決了PLT‘厚膜在退火過

7、程中的開裂問題。 本文第二蘋將對其進行詳細描述。以Pt／Ti／SiO<,2>／Si為基底，在650℃退火溫度下成功制備出純鈣鈦礦相的PZT薄膜，詳細研究了鋯／鈦(Zr／Ti)比對PZT薄膜的結構、介電和鐵電性能的影響。利用多層膜技術，在PZT的相界附近觀察到了介電增強效應。采用過渡層，得到高度(111)擇優(yōu)取向的PZT薄膜，大大改善了PZT薄膜的介電及鐵電性能，特別是PZT薄膜的疲勞問題，也得到明顯改善。這些內容在第三、四章給予

8、詳盡論述。 以Pt／Ti／Si02／Si為基底，在700℃退火溫度下成功制備出純鈣鈦礦相的PLZT薄膜，詳細研究了鋯／鈦(Zr／Ti)比和摻鑭(La)量對PLZT薄膜的結構、介電和鐵電性能的影響。作為比較，以ITO為基底，在550℃退火溫度下制備出(110)擇優(yōu)取向的PLZT薄膜。本文第五章將予以描述。 在PLZT薄膜的光學性能方面，以ITO為基底的PLZT為對象，討論了摻La量以及Zr／Ti比對PLZT薄膜的折射率及透

9、射率的影響。為了研究PLZT薄膜的電光效應，課題組以邁克爾遜干涉原理為基礎，利用光纖干涉技術自行建立了一套PLZT薄膜線性電光系數(shù)γ<,13>的測量裝置，并給出了Zr／Ti比以及摻La量對PLZT薄膜線性電光系數(shù)γ<,13>的影響。本文將在第六章對其進行詳細描述。 綜上所述，采用Sol-Gel法，以Pt／Ti／SiO2／Si或ITO為襯底，都能獲得高質量的PLZT薄膜。其中，以Pt／Ti／SiO2／Si為襯底的PLZT薄膜，在6

10、50℃左右的退火溫度下保溫一小時,能夠獲得純鈣鈦礦相或高度(111)擇優(yōu)取向的PLZT薄膜。以ITO為襯底的PLZT薄膜，在小于600℃的退火溫度下保溫一小時，能夠獲得(110)取向的PLZT薄膜。當Zr含量較低時，PLZT薄膜是純鈣鈦礦相的，而zr含量較高時，PLZT薄膜中則含有焦綠石相。以IT0為襯底的PLZT薄膜的介電和鐵電性能都要比Pt／Ti／SiO2／Si為襯底的PLZT薄膜差一些，即便如此，以ITO為襯底的PLZT薄膜的電光