压电薄膜制备与特性研究

来源 :南京大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jianjian1985
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多年来对压电铁电薄膜的研究一直很受人们重视。无机压电铁电材料具有压电效应、热释电效应、线性或二次电光效应等多种效应。无机压电铁电薄膜有其独特的优点,如易于制作极薄的微波超声换能器,与半导体材料集成,制作压电铁电/半导体集成器件等。压电微泵、微加速度计、微红外阵列探测器、微扬声器、微开关以及薄膜微马达等是压电与微电子,铁电与半导体集成的典型应用,发展潜力巨大。如果按照材料特征来分可以把无机压电铁电薄膜分为非铁电性压电薄膜(ZnO和A1N等)和铁电性压电薄膜(PbTiO3等)。 与其它薄膜制备不同的是,制备压电薄膜必须选用可以产生压电效应的材料。考虑到压电薄膜的制备和运用,还必须选用易于制备压电薄膜并且使得制备的压电薄膜具有压电性能强、化学性能稳定、电阻率大、介电常数适中的材料。只有单晶薄膜和择优取向的多晶薄膜才具有压电性能,所以在制备压电薄膜的时候必须采用能制备这种薄膜的技术和工艺条件,并且保证制备的薄膜具有优异压电性能和介电性能。磁控溅射沉积技术是近年来广泛运用的技术,它易于制备择优取向的非铁电性压电薄膜。 通过对磁控溅射沉积ZnO多晶薄膜工艺条件的研究,获得了利用ZnO粉靶分别在优质光学玻璃表面和硅基片(100)切割表面溅射生长高度C轴取向ZnO多晶薄膜的最佳条件。通过X衍射分析、扫描电镜、原子力显微镜、台阶仪的测量和分析比较,表明制备的ZnO多晶薄膜具有高度C轴取向,并且表面形态完全满足叉指制作工艺的要求。又通过对ZnO多晶薄膜的特性分析研究和电学参数的测量表明制备的ZnO多晶薄膜的晶体结构和电学性质优良。 在低气压下研究了氮化铝多晶压电薄膜的制备。通过实验观察到氮化铝多晶薄膜的取向性在低气压条件下同气压关系非常密切,并得出了在硅片(100)面上制备C轴取向AlN压电多晶薄膜的最佳条件。我们又对C轴取向AlN压电多晶薄膜的电学性质和表面形态进行了分析,结果令人满意。我们也进行了利用磁控溅射技术制备弛豫铁电体薄膜PZT、PMN的工艺研究。弛豫铁电体具有很高的介电常数、大的电致伸缩系数和几乎无滞后的特点,使得这类材料成为目前研究的热点。PMN和PT等钙钛矿结构压电薄膜较难用磁控溅射沉积的方法制备。通过初步研究已经可以在MgO基片用磁控溅射沉积,并且经过后期退火的方法,获得具有较好A轴长相的PMN薄膜。 我们又进行了对厚膜制备工艺条件研究的工作。因为随着薄膜厚度的增加,薄膜的内应力会比较大,在薄膜的制备过程中会造成薄膜的开裂,脱落,或者把基片拉伸变形。这对厚度较大的薄膜制备带来了困难。通过对厚膜制备工艺条件的研究,解决了厚膜的制备中存在的困难,成功制备了一些厚度大于15μm到20μm的薄膜。对于硬度比较大的薄膜,例如PZT薄膜,厚度可以达到10μm以上。然后通过激光激发声表面波用光差分检测技术检测声表面波的方法对制备的厚膜材料的特性和参量进行定征。这种由激光激发声表面波引起的光偏转差分检测技术,具有非接触、无损等优点,同时由于采用了光差分技术,提高了检测光路的抗干扰能力,使其信噪比得到提高,拓宽了该检测技术的使用范围。与此同时,为了满足光声实验中需要一层高反射度薄膜的需要,在不破坏样品的低温条件下利用溅射技术成功制备了高反光度的Al薄膜,解决了磁控溅射制备的Al薄膜常常表面反光性差的问题,并运用于光声实验中。 利用掌握的薄膜制备技术,我们制作了一个由玻璃棱镜/金薄膜/ZnO薄膜组成的光学传感器,并对液体中的声信号进行了检测。这种方法通过光传感器来检测液体中的声波从而分析液体的特性。实验分析证明这种复合薄膜光学传感器工作在导波模式时对液体中的声信号极其敏感,从而利用了光导波来检测激光在液体中产生的声信号。我们还制作了IDT/ZnO/Si(100)结构的声波器件,并进行理论计算和实验来研究声波在ZnO/Si(100)系统中的传播特性。实验结果表明理论值和实验测量值符合的很好。从而表明制备的ZnO压电多晶薄膜已经完全可以用来制备声波器件。
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