外加应力对外延Pb(Zr1-xTix)O3薄膜相图及物理性质的影响.pdfVIP

第30卷第4期 湖南科技学院学报 、，01．30No．4 JoumalofHunan of Scienceand 2009年4月 UniVersity Engineering Apr2009 r i hT 外加应力对外延Pb(Zx)03薄膜相图 及物理性质的影响 吕业刚1刘宏贵2 (1．湖南科技学院物理与电子工程系，湖南永州425100：2．衡阳县第五中学，湖南衡阳421236) 通过数值计算，得到了PzT薄膜在不同组分下的“外加应力一失配应变”相图。由相图可知，外加应力可以使薄膜发生铁电相 变。在室温下，外加压应力能使薄膜的铁电相转变到顺电相。薄膜的压电系数对相变非常的敏感，施加一个适当的外加应力， 可以大幅度提高压电系数。本文的计算结果，可以解释压痕仪和扫描力电镜研究铁电薄膜时所观察到的实验现象。 关键词：铁电薄膜；PzT；外加应力；失配应变；相变 中图分类号：0484．4 文献标识码：A 文章编号：1673—2219(2009)04一0038一04 0引言 本文采用非线性热力学方法，研究外加应力及组分对外 铁电材料Pb(zrl-xTi。)03(PzT)因在微电子和微机械方面延生长在立方基底单畴PZT薄膜相图及物理性质的影响。 有着广阔的应用前景而倍受关注11’“。采用Ha岫等¨1提出的基于朗道．吉斯．达文热力学理论，计算得到了应力-失配应变 热力学方法，来模拟PzT块材料的相变和物理性质的报道， 相图，以及外加应力对介电、压电响应的影响。本文的结果 已经屡见不鲜。对PZT块材料的理论研究已经取得了很大 试图解释由实验得出看似矛盾的结论，即：薄膜的压电系数 的进展。然而，块材料器件的应用受到尺寸的限制，并且工 随外加应力的引入而呈现出的不同趋向，也为以后的实验提 作频率一般不超过数百兆赫，而薄膜可大大提高工作波长范 供了理论上的指导。 围，为器件的微型化和集成化创造条件；另一方面，薄膜受 到二维基底的夹持作用，表现出与块材料完全不同的物理性 1非线性热力学理论 质。因此薄膜的研究引起了研究工作者的极高兴趣。0h等 假设单畴铁电薄膜是外延生长在一个比较厚的基底 卜J采用热力学方法，计算出了PzT薄膜在不同应力下对应的 上，那么薄膜与基底相互密合…‘“J。设立方基底与薄膜之间 相图，研究了基底二维夹持应力对外延PzT薄膜物理性质 的失配应变为量，s2，剪切应变为。我们采用Voi昏矩阵 的影响。KaJlno等p1基于朗道-吉斯．达文热力学理论研究了 记法，定义x3轴垂直于薄膜与基底的界面。如果基底厚度 膜平面应力对PzT薄膜的介电及铁电性质的影响。在这些 足够大，那么在薄膜／基底系统中的失配应变S，岛是恒定 理论研究中，薄膜的上表面是假定没有与膜平面相垂直的外 不变的”“。吉布斯自由能函数G可以用来研究大块的铁电 作用力的。然而，当用压痕仪来研究铁电材料的性质时，探 晶体，对受基底约束的铁电薄膜却不再适用l¨】。若考虑基 针会在膜表面上施加一个外力怕’”。KovaI等H1提出此外加力 底约束的弹性能，则自由能函数G变为G， 会导致电畴翻转而增加薄膜的有效压电系数。用扫描力显微 镜来研究铁电薄膜也会给薄膜带来外加作用力弘。…。zavala 等ll训指出扫描探针施加在薄膜表面上