摘要: 采用溶胶-凝胶技术结合快速热处理(RTA)及复合热处理工艺在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备出不同择优取向的Gd、Yb及Gd与Nb复合掺杂Pb(Zr0.52Ti0.48)O3铁电薄膜(简记为PGZT、PYZT、PGNZT，1mol%Gd掺杂的PZT薄膜简记为PGZT1，以此类推)。热分解以及RTA热处理... 展开 采用溶胶-凝胶技术结合快速热处理(RTA)及复合热处理工艺在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备出不同择优取向的Gd、Yb及Gd与Nb复合掺杂Pb(Zr0.52Ti0.48)O3铁电薄膜(简记为PGZT、PYZT、PGNZT，1mol%Gd掺杂的PZT薄膜简记为PGZT1，以此类推)。热分解以及RTA热处理温度对钙钛矿相掺杂PZT薄膜的形成有重要影响。热分解温度高于350℃，RTA热处理温度在600～650℃之间可以得到单一钙钛矿相掺杂PZT薄膜。热分解温度对RTA热处理的薄膜取向性有重要影响，低温热分解，PGZT和PYZT薄膜为(111)择优取向，高温热分解为(100)择优取向；Gd和Yb的掺入量对薄膜的取向性影响不大；采用RTA热处理工艺，得到的Gd与Nb复合掺杂的PZT薄膜为多晶薄膜。采用复合热处理方式，可制得高度(111)取向的PGZT、PYZT和PGNZT薄膜，热分解温度对复合退火方式制得掺杂PZT薄膜取向度没有影响。随着预晶化时间的增加，薄膜的(111)取向度增加。 对取向掺杂PZT薄膜的结晶机制进行了分析。溶胶-凝胶法掺杂PZT薄膜的结晶过程是成核控制过程。不同热分解温度下，在PZT/Pt界面生成的界面相化合物不同，生成的界面相化合物与PZT的(111)相匹配，经过RTA处理后，薄膜以界面相化合物为种子层或模板层，异质成核生长，得到(111)择优取向的薄膜；生成的过渡相化合物与PZT的(100)相匹配，经过RTA处理后，薄膜为(100)择优取向；采用复合退火方式时，平板炉预晶化过程使PZT薄膜先部分晶化，晶粒为(111)取向，经RTA处理，晶粒长大，得到(111)取向的PZT薄膜。XRD的ω扫描分析表明，450℃热分解，650℃RTA处理的PGZT和PYZT薄膜为(100)织构；复合热处理方式得到的PGZT、PYZT和PGNZT薄膜为(111)织构，薄膜的织构比较完善。 SEM和AFM分析表明，Gd、Yb及Gd与Nb复合掺杂使PZT薄膜的结晶特性发生明显变化。当Gd含量不高于1mol%，Yb含量不高于2mol%时，PZT薄膜的晶粒发育完全，晶粒均匀，薄膜致密；随Nb含量的增加，PGNZT薄膜的晶粒尺寸变大。 1mol%Gd掺杂的PGZT1薄膜和1mol%Yb掺杂的PYZT1薄膜的铁电和介电性能较好，薄膜的剩余极化值增大，矫顽场降低，介电常数增大，漏电流减小。2mol%Gd掺杂的PGZT2薄膜与未掺杂的PZT薄膜相比，抗疲劳性能有所改善，但其它铁电性能有所下降，介电性能没有明显改善。对于Gd掺杂PZT薄膜，Gd的掺入量不应大于2mol%；2mol%Yb掺杂的PYZT2薄膜与未掺杂的PZT薄膜相比，铁电性能和介电性能都有明显改善，对于Yb掺杂PZT薄膜，Yb的掺入量不应大于3mol%。适当Gd与Nb掺杂量和相对比例的复合掺杂明显改善PZT薄膜的铁电性能。高度(111)取向的PGNZT薄膜的抗极化疲劳性能优于(100)和(111)取向的PGZT和PYZT薄膜。 掺杂PZT的容限因子计算、缺陷化学及瑞利定律分析表明，Gd和Yb在PZT中具有施主掺杂和受主掺杂的双重作用，二者作用的相对强弱与掺入量有关。当掺入量低时，施主掺杂作用显著，材料的抗极化疲劳和漏电流特性得到明显改善；随着掺入量的增加，受主掺杂作用逐渐增强，导致材料的铁电性能恶化。Gd与Nb复合掺杂的双重施主作用及对薄膜结晶性能的改善使PGNZT薄膜的铁电性能优于PGZT和PYZT薄膜。 收起