单晶PMnN-PZT铁电薄膜制备与表征.pdfVIP

张 涛 等 ：单晶PMnN—PZT铁电薄膜制备与表征 单晶PMnN—PZT铁 电薄膜制备与表征 张 涛 ，马宏伟 ，张淑仪 ，李 敏 ，赵省贵 (1．西安科技大学 理学院，陕西 西安 710054；2．南京大学 声学研究所 ，江苏 南京 210093) 摘 要 ： 利用磁控溅射方法，在 MgO基底上沉积三 磁控溅射方法沉积三元系PMnN—PZT铁电薄膜 ，沉积 元系铁 电薄膜 6 PMnN一94 PZT(6 Pb(Mnl／。， 结束后采用快速退温的淬火技术代替薄膜的后期热处 Nb：／。)O。一94 Pb(Zr ，Ti。 理 ，并利用 XRD、SEM等方法测试薄膜 的表面形貌及 ． 55)O。)，采用淬火方法对 薄膜进行后期热处理。分别运 用面 内和面外 X射线 微观晶体结构。 衍射 (XRD)技术分析薄膜长相及 晶体结构，运用高分 2 实 验 辨率扫描 电镜 (SEM)观察薄膜的晶粒表面及截面结 构。实验结果表明，所沉积薄膜为单晶钙钛矿结构薄 本文所用磁控溅射系统为中国科学 院科学仪器中 膜 ，薄膜结构优 良。 心设计的JGP450B型多靶磁控溅射设备 ，溅射系统如 关键词 ： PMnN—PZT；单晶铁电薄膜；磁控溅射 图 1所示 。 中图分类号 ： TM22；TB74；TN34 文献标识码 ：A 文章编号：100i-9731(2012)11—143i-03 1 引 言 近几年 ，微型声学器件 [1]、压 电器件尤其：是微机 电系统 (micro—electromechanicalsystems，MEMS)E3,4] 应用迅猛发展，微型机 电器件对压 电薄膜的性能要求 日益提高，在实际器件制作 中，ZnO和 A1N压电薄膜 已经广泛应用于谐振器 、致动器、滤波器和传感器等领 图1 JGP450B型多靶磁控溅射系统 域_】]，尤其是 AlN薄膜 ，以其独有的稳定性而发挥着 Fig 1 M ulti—target magnetron sputtering system 重要作用_】“]。然而，ZnO和 A1N的压 电系数较小，这 (JGP450B) 成为它们进一步应用于高性能器件的障碍。因而具有 根据 PMnN—PZ—PT三元系体材料混合性能规 高压电的薄膜的研究与制备成为微型机电器件和机电 律l_6]，预测 PZ／PT比例在 45／55时，PMnN与 PZT混 系统发展亟需解决的关键问题l5]。 合比例在 6 (摩尔分数)附近，三元系PMnN—PZT体 除了ZnO和AlN这两种常用压电材料外 ，锆钛酸 材料具有较高的机 电耦合系数和较高 的机械 品质 因 铅 (Pb(Zr，Ti～)O。，即PZT)是一种性能出色的压 电 数。因而实验采用 6 PMnN一94 PZT(45／55)配 比 材料 ，因其具有比ZnO和 AlN更高的压电系数和机电 的粉末制靶 ，并添加 10 (摩尔分数)的过量 PbO以弥 耦合系数 ，．且还具备 ZnO和 A1N没有的铁 电性，使 补在溅射过程 中的失铅现象 。基底采用 SRO(110)／ PZT无可替代地应用于强压 电和铁 电应用 中E7,8]，一 Pt(002)／MgO(001)的异质层 结构，氧化镁 (MgO)基 系列的商用 PZT的制备和应用技术已趋于成熟 。但 底厚度为 300Fm。利用磁控溅射系统 ，在 400℃，纯氩 是，PZT材料的机械品质因数 比较小 ，尤其是 PZT薄 气氛下溅射 Pt电极 ，厚度约50nm；在 600℃，V(Ar)： 膜 ，已报道的机械品质因数低则几十，高也只有几百 ， V(O)一20：2O气氛下溅射 SrRuO。缓冲层，厚度约 使得其谐振带宽过宽，机械损耗大，而直接 限制了它的 50nm。溅