基于PLZT反铁电薄膜的储能性能及多铁复合薄膜性能研究

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Pb0.97La0.02(Zr0.95Ti0.05)O3(PLZT)是一种典型的钙钛矿反铁电材料,具有较高的饱和极化强度和较高的诱导铁电相变电场强度,在电介质储能方面有着广阔的应用前景,尤其在脉冲高功率电源的应用。目前关于PLZT反铁电体储能性能和储能效率进行了广泛的研究,储能密度高的PLZT材料主要集中在块材和厚膜,然而PLZT薄膜的储能密度相对较低,远不能满足实际应用要求。究其原因,除了PLZT材料本征的物理性能以外,还与薄膜与衬底之间的相互作用有关,如衬底夹持,界面层效应等对薄膜的储能密度有所影响。此外,器件小型化的发展趋势迫使人们对其薄膜的储能性能研究日益高涨。另外一方面,PLZT反铁电材料还具有诸如温度、应力等诱导的反铁电-铁电相变机制,即存在丰富的铁弹-应力耦合,如能与一些铁磁性材料,例如铁磁形状记忆合金Ni-Mn-Ga(NMG)等形成复合材料,在铁磁-铁弹耦合,即多铁性材料方面的研究有着重要的研究意义,从而有助于拓展多铁性材料新体系。因此,本论文围绕上述研究目标开展了较系统的探索研究。  1.不同底电极对Pb0.97La0.02(Zr0.95Ti0.05)O3薄膜的储能性能的研究  采用溶胶-凝胶法结合快速热处理技术(RTP)制备了PLZT反铁电薄膜,通过选取两种不同衬底Pt/Ti/SiO2/Si和LaNiO3/Si,研究表明:AFM发现两者PLZT薄膜颗粒饱满、均匀,晶界清晰;XRD分析发现LaNiO3/Si衬底上的PLZT薄膜具有(100)择优取向生长,而Pt/Ti/SiO2/Si衬底上PLZT薄膜则为随机取向生长;残余应力测试分析表明LaNiO3/Si衬底上的PLZT薄膜的平均应力值为410 MPa,远大于Pt/Ti/SiO2/Si底电极上的PLZT薄膜中的残余应力值(205 MPa)。进一步考察其铁电性质、介电性质和储能性能时,发现在室温电场700 kV/cm下,PLZT反铁电薄膜的Pmax、储能密度和储能效率分别为44.8μC/cm2、15.3 J/cm3和53%。而且,LaNiO3/Si衬底上的PLZT薄膜,频率从20 Hz到10 kHz,温度从25℃到200℃,其储能性能都有较好的稳定性,并且具有高介电常数和低损耗。这些数值表明LaNiO3作为氧化物底电极具有良好的界面态和较大的残余应力值,进而提升PLZT薄膜的反铁电储能性能,使其较有利于高功率脉冲电子储能器件。  2.NiMnGa薄膜铁弹应力对Pb0.97La0.02(Zr0.95Ti0.05)O3厚膜相变性能研究  在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上采用溶胶凝胶法制备了具有(100)高度择优取向生长的PLZT厚膜,厚膜表面均匀。在室温下用磁控溅射方法将NiMnGa合金薄膜沉积于PLZT厚膜上。研究表明:700℃快速退火并逐层退火可以获得完全的钙钛矿相、具有(100)高度择优取向的PLZT厚膜。XRD表明未热处理的NMG薄膜是立方奥氏体相(空间群是Fm(3)m),经热处理的NMG薄膜是四方马氏体相(空间群是I4/mmm)。M-H曲线验证了未经热处理的NMG薄膜是顺磁性;而经550℃热处理后的NMG薄膜具有铁磁性,且具有磁晶各向异性,面内的饱和磁化值为160emu.cc-1,剩余磁化值为67 emu.cc-1。由于NMG前后热处理的相变所产生的铁弹应力,通过界面层传递给底层的PLZT厚膜,PLZT厚膜由反铁电相转变为铁电相,极化值降低,其晶格畸变所产生的应力值由344 MPa转变为47 MPa。
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