Sol-Gel前驱体法制备PZT铁电薄膜与性能研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

电子工业的迅速发展使大规模平面集成技术对相容性的要求日益增强，铁电薄膜尤其是具有高介电性、压电性和优秀铁电性的PbTiO₃-PbZrO₃(PZT)固溶体系引起了人们的重视和浓厚的兴趣。利用铁电材料优良的铁电开关特性、压电效应、热释电效应、声光效应、高介电常数、光折变效应、非线性光学效应等，通过单独利用上述诸效应或不同效应之间的交叉耦合，以及与其它材料之间的集成或复合来制作多功能器件，铁电薄膜材料正被广泛地应用于存储器、声表面波器件、红外探测传感器、薄膜电容器、微型压电驱动器、微型压电马达、光波导、激光倍频器、声光偏转器等领域。铁电薄膜材料的制备和其器件的应用己经成为当今国际高技术、新材料和高集成器件研究的前沿。

PZT是一种具有高机电系数、高介电常数和高剩余极化强度的功能材料。因其具有介电、压电、铁电等优异特性，故已成为制备MEMS与纳米器件的主要材料，如用于制作微型焦热红外探测器、微型能量俘获器、微型压电激励器和微型超声器件等。目前，制备PZT薄膜的方法主要有射频溅射(Sputtering)法、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)和金属氧化物化学气相淀积法(MOCVD)等。然而，Sputtering需要较昂贵的实验设备，对真空条件要求高；MOCVD前驱体制备较难，设备昂贵，薄膜生长速度慢。在本研究中，选择Sol-Gel法制备PZT薄膜，具有制备过程温度低，易于控制；薄膜材料易于达到原子级、分子级均匀分布，反应物成分可以严格计算控制；容易制备均匀的多元氧化物薄膜，易于实现定量掺杂成本低等诸多优点。

Sol-Gel法制备PZT铁电薄膜的研究工作早在80代末就已在美国、日本等国家相继展开。加利福尼亚的Santa Clara国家半导体公司于1992年首先对Sol-Gel法制备PLT、PZT、PLZT等铁电薄膜申请了美国专利。为了进一步提高PZT薄膜的质量和性能重现性，人们对其Sol-Gel工艺进行了大量的研究与改进。目前，Sol-Gel工艺已基本稳定，常见体系主要有两种:一种是水系，以醋酸为催化剂；另一种是以乙二醇甲醚或乙二醇等为溶剂的有机体系。通过对制膜工艺的控制与优化，日本的Keiichi Nashimoto等采用Sol-Gel法于1994年在(0001)蓝宝石上制备出(111)择优取向的PZT薄膜，之后有关采用Sol-Gel法制备外延取向PZT铁电薄膜的研究报导不断增多，这为Sol-Gel制膜技术增添了新的优势；1999年，Seong Moon Cho等在O₂、N₂和空气不同氛围中对PZT薄膜进行析晶，结果表明在氧气氛围中PZT的剩余极化高于其它两种；2005年，李建国等通过溶胶-凝胶法研究了不同衬底上PZT薄膜的铁电性能。研究结果表明，三种衬底上的PZT 薄膜均具有良好的铁电性，但以LNO /Si和LNO/Pt /Ti/SiO₂/Si为衬底的薄膜的剩余极化强度比Pt/Ti/SiO₂/Si衬底上薄膜的要大；2007年，Chen Zhu等研究了不同热处理氛围对于PZT薄膜铁电性能的影响。在空气中PZT的剩余极化强度和矫顽场分别为5.07 μC/cm²和40.3 kV/cm²，而在氧气氛围中的P_r为11.04μC/cm²，是在空气中的两倍多。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容和目标

①研究溶胶-凝胶法制备pzt铁电薄膜的工艺流程，主要包括：pzt前驱体溶液的配制、涂胶工艺、热处理工艺等，并对工艺参数进行优化，以得到高质量的pzt薄膜；

②研究pzt薄膜的表征方法，运用现有的表征手段，得到薄膜的相关参数。对pzt薄膜的表征主要包括：

3. 研究计划与安排

第1—2周：查阅相关文献资料，翻译英文文献；

第3—5周：整理资料，在任务书的基础上，设计研究方案，确定切实可行的实验技术路线，了解相关的结构和性能的测试方法；撰写开题报告，开题答辩；

第6—10周：完成pzt薄膜的制备；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]m.s.j. nunes，e.r. leite，f.m.pontes，et al. microstructural andferroelectric propertiesofpbzr_1xti_xo₃thin

films prepared polymeric precursormethod[j]. materials letters，2001，49：365-370.