《鋯鈦酸鋇鈣壓電薄膜的界面最佳化與疲勞特性研究》是依託哈爾濱理工大學，由林家齊擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：鋯鈦酸鋇鈣壓電薄膜的界面最佳化與疲勞特性研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：林家齊
- 依託單位：哈爾濱理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
疲勞失效是壓電薄膜套用必須要解決的關鍵問題之一，而薄膜與底電極之間的相互擴散被認為是引起疲勞時效的重要因素。另外，在矽基電路能承受的較低結晶溫度下，闡述取向類型與疲勞特性之間的關係也是非常必要的。本項目選取0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3- 0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3 壓電薄膜為研究對象，針對薄膜在製備過程中晶化溫度過高、界面擴散嚴重等一系列亟待解決的問題，提出在薄膜-基底處引入界面層的研究方案，以期在較低的結晶溫度下，實現薄膜的取向調控；同時對界面擴散進行表征，建立結晶溫度與界面擴散之間的有機聯繫，最終達到最佳化界面的目的。在此基礎上，研究薄膜晶化行為、界面擴散程度、取向類型等對薄膜疲勞、漏電流特性的影響規律，從根本上闡明界面、取向等因素對薄膜疲勞失效的影響機理，並探索出一種提高薄膜抗疲勞性能的最優方案，為無鉛壓電薄膜的單片集成奠定實驗與理論基礎。
結題摘要
在準同型相界處於室溫附近時，鋯鈦酸鋇鈣(BCZT)具有與鉛基材料相媲美的優異壓電性能。BCZT陶瓷和薄膜被認為是最有潛力的無鉛壓電材料，也是壓電集成器件的最佳選擇之一。項目利用固相反應法製備了LiNbO3、MgF2、NaF與CaCl2助燒和Y2O3、Ta2O5與Tb4O7摻雜改性的BCZT陶瓷，建立了結構和壓電性能的關係規律，獲得了降低陶瓷燒結溫度並改善壓電性能的有效途徑；以BCZT陶瓷為靶材，採用脈衝雷射沉積法（PLD）在Pt(111)/Si襯底上生長了BCZT薄膜，通過等離子羽輝輸運理論研究，闡明了Ba、Ca、Ti和Zr粒子的遷移和分布規律，通過退火溫度、界面層和Tb4O7摻雜改性最佳化，探索了改善薄膜漏電流、鐵電壓電性能和疲勞特性的方法和機制。研究結果表明：1、低濃度助燒劑的引入，有利於改善BCZT的結構、緻密度和鐵電、壓電性能，僅0.3wt%濃度的燒結助劑即可使BCZT的最佳燒結溫度降低60℃；2、三價Y3+、Tb3+離子和五價Ta5+離子在BCZT晶胞中分別屬於A位和B位施主摻雜， Y2O3、Ta2O5與Tb4O7的最佳摻雜濃度均為0.2~0.3mol%，能夠將BCZT陶瓷的剩餘極化強度提高至10μC/cm2以上；3、BCZT薄膜PLD生長羽輝中Ca粒子的遷移速率和膨脹尺寸大於Ba、Ti和Zr粒子，更易偏離化學計量比；4、BCZT薄膜的最佳生長溫度為約650℃，雷射能量為約2J/cm2，氧氣分為15~30Pa；5、退火處理能夠促進BCZT薄膜的晶粒生長、緻密化和漏電流的降低，進而顯著改善薄膜的鐵電和壓電性能；6、0.4mol%的Tb4O7摻雜可以使BCZT薄膜的漏電流降低2個數量級以上，不僅可以提高其相對介電常數和降低介電損耗，且能夠顯著改善陶瓷的鐵電、壓電和疲勞特性。本項目的研究提供了有效改善BCZT陶瓷和薄膜性能的方法和機制，對促進BCZT無鉛壓電陶瓷的實用化和推動無鉛壓電薄膜單片集成，均有著重要理論和實驗價值。
