不同熱處理工藝和極化PMNPT鐵電晶開(kāi)題報(bào)告

1、不同熱處理工藝和極化P MN P鐵電晶開(kāi)題報(bào)告1畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述1.1研究背景PMN-PT它是一種新型馳豫型鐵電體，由于具有優(yōu)越的壓電性備 受關(guān)注。PMN-P光電透明陶瓷屬于鈣鈦礦型多晶結(jié)構(gòu)，可以用ABO3表示:(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT)。其中A位為Pb元素，B位為Mg Nb和Ti元素。為了達(dá)到最佳的透光效果和電光系數(shù),某些元素如Ba或La被加入到PMN-P沖，部分取代A位的Pb元素。PMN-PT材料成分分布被分為3個(gè)主要區(qū)域：二次方區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)和線性區(qū)。光電材料的成分主要分布在二次方區(qū)域， 且二次方區(qū)域的x取 值為0.10.35。PMPT是具

2、有各向同性的最小能量穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和易被扭曲的電場(chǎng)。在外電場(chǎng)作用下，所有的疇都傾向于外電場(chǎng)排列，即 發(fā)生極化，光就會(huì)產(chǎn)生雙折射，從而表現(xiàn)出很強(qiáng)的電光效應(yīng)。沒(méi)有外加電場(chǎng)作用下的晶體，正電荷和負(fù)電荷的重心是不重合的，呈現(xiàn)出了電偶極矩現(xiàn)象。晶體內(nèi)部會(huì)自發(fā)極化?？梢园l(fā)生自發(fā)極 化，且方向能夠因外施電場(chǎng)方向的反向而反向的晶體， 稱為鐵電晶體。、 這種性質(zhì)稱之為鐵電性。 具有鐵電性的晶體稱為鐵電體若晶體產(chǎn)生自 發(fā)極化那么晶體兩側(cè)就會(huì)在自發(fā)極化所對(duì)應(yīng)的方向上表現(xiàn)出不同的 極性，兩端分別附著一層束縛電荷，且電荷異號(hào)，從而產(chǎn)生電場(chǎng)，但是電場(chǎng)在晶體內(nèi)部的方向與極化的方向相反，稱電場(chǎng)為退極化場(chǎng)，隨之升高的還有靜電能。當(dāng)受

3、到機(jī)械的約束時(shí)，將增加自發(fā)極 化所產(chǎn)生的應(yīng)變能， 因此晶體的狀態(tài)在極化均勻的情況下是不穩(wěn)定存在的。在施加交變電場(chǎng)的情況下， 鐵電體的極化強(qiáng)度與場(chǎng)強(qiáng)有一定的圖1.1鐵電體的電滯回線 電滯回線的產(chǎn)生是由于鐵電晶體中存在鐵電疇。當(dāng)給鐵電體施加外電場(chǎng)的條件下， 與電場(chǎng)方向相同的電疇會(huì)形成新的疇核， 疇壁會(huì) 相應(yīng)的開(kāi)始運(yùn)動(dòng)， 使得電疇的體積會(huì)快速的增大， 而與電場(chǎng)方向相反 的電疇則會(huì)消失。矯頑電場(chǎng)的強(qiáng)度與溫度以及頻率都有很大的關(guān)系， 通常隨著溫度的增加而下降，隨著頻率的增加而增大。在早期，判斷鐵電體是否具有鐵電性的依據(jù)是是否有電滯回線， 但是現(xiàn)如今相對(duì)于鐵電體來(lái)說(shuō)， 電滯回線 己經(jīng)不是判斷鐵電性的唯一依

4、據(jù)了。 因?yàn)闇y(cè)量方法并不能準(zhǔn)確的判斷 出，電滯回線確實(shí)是由鐵電性所引起的。普通鐵電體與豫鐵電體存在著很大的區(qū)別區(qū)別。豫鐵電體比較明顯的特性主要是： （彌散相變，即順電相與鐵電相之間的轉(zhuǎn)變是逐 漸變化的，而不是突然從一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相， 這種相變可以由介 電溫譜觀測(cè)到， 介電峰如果不是很尖銳而是很圓滑， 就說(shuō)明相變是彌 散的。頻率色散，在介電溫譜的測(cè)試中，隨著頻率的增加，介電峰和 損耗峰從低溫一側(cè)略微向高溫一側(cè)移動(dòng)， 介電峰隨頻率的增加而降低，損耗峰隨頻率的增加而增加。PMN-PT的介電特性曲線如圖1.2所示。（a）介電常數(shù)-溫度普線（b）介電損耗-溫度普線圖1.2弛豫鐵電體PMN-PT和普通

5、鐵電體BaTiO3的介電特性曲關(guān)系，顯示的曲線稱電滯回線，如圖1.1所示。1.2國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況1824年Brewster觀察到許多礦石具有熱釋電性。1880年約居里和皮居里發(fā)現(xiàn)當(dāng)對(duì)樣品施加應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)電極化的現(xiàn)象。然而在早 期發(fā)現(xiàn)的所有熱釋電體中是不存在鐵電體的。 在未經(jīng)處理的鐵電單晶 中，電疇的極化方向是雜亂的，晶體的凈極化為零，熱釋電響應(yīng)和壓 電響應(yīng)也十分微小，這就是鐵電體很晚才被發(fā)現(xiàn)的主要原因。直到1920年，法國(guó)人Valasek發(fā)現(xiàn)了羅息鹽（酒石酸鉀鈉）特異的介電 性能，才掀開(kāi)了鐵電體的歷史。 鐵電體早在20世紀(jì)40年代就引起物理學(xué)界和材料學(xué)界的關(guān)注，但由于大塊鐵電晶體材料不易薄膜化

6、,與半導(dǎo)體和金屬不相兼容,使其未能在材料和信息領(lǐng)域扮演重要色。隨 著薄膜制備技術(shù)的發(fā)展， 克服了制備高質(zhì)量鐵電薄膜的技術(shù)障礙， 特 別是能在不同襯底材料上沉積高質(zhì)量的外延或擇優(yōu)取向的薄膜， 使鐵 電薄膜技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的兼容成為可能。 由于人工鐵電材料種類的 不斷擴(kuò)大，特別是鐵電薄膜制備技術(shù)和微電子集成技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展， 以及光電子和傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,也對(duì)鐵電材料提出了小型化、 集成化等更高的要求。 正是在這樣的研究背景下， 傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料和陶瓷材料結(jié)合而形成新的交叉學(xué)科集成鐵電學(xué)器件的研究和開(kāi)發(fā)呈現(xiàn)2個(gè)特點(diǎn):是由體材料組成的器件向薄膜器 件過(guò)渡；是由分立器件向集成化器件發(fā)展。 正是在這

7、種集成化器件 中鐵電薄膜已經(jīng)成為硅或砷化鎵集成電路的重要組成部分。 鐵電薄膜 材料還被廣泛用于非易失性存儲(chǔ)器、動(dòng)感隨機(jī)存儲(chǔ)器、薄膜電容器、(IntegratedFerroelectrics)出現(xiàn)了，并由此使鐵電材料及其熱釋電紅外探測(cè)器、介電熱輻射測(cè)量計(jì)、相存儲(chǔ)器和光學(xué)傳感器等等。復(fù)合 成的集成器件或微小器件廣泛地應(yīng)用于軍事、 航空航天、原子核工業(yè) 和其它輻射環(huán)境中使用的新一代計(jì)算機(jī)等很多領(lǐng)域。在過(guò)去的時(shí)間里，鐵電體的制備有很多的方法。其中應(yīng)用最廣泛的有射法、溶膠-凝膠法、激光分子束外延法、脈沖激光沉積法。性能卓越的鐵電薄膜做了深入的探索。質(zhì)量的類鐵電單晶, 并且生長(zhǎng)單晶的方法也己研究的較為成熟

8、, 有很 好的重復(fù)性以及穩(wěn)定性。 可以說(shuō)已經(jīng)與國(guó)際水平差不多， 在某些特有 方面甚至是已經(jīng)超過(guò)了國(guó)際水平。 在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中， 生長(zhǎng)出的晶體尺 寸、數(shù)量和質(zhì)量能夠滿足一些器件對(duì)材料的要求, 為這類材料的商業(yè) 化奠定了基礎(chǔ)采用改進(jìn)的方法， 首個(gè)國(guó)內(nèi)高質(zhì)量的單晶由中科院上海 娃酸鹽研究所成功地生長(zhǎng)出來(lái)，單晶的尺寸達(dá)，晶片的尺寸可達(dá)，圖 為上海娃酸鹽研究所生長(zhǎng)出的單晶,以及場(chǎng)致應(yīng)變曲線如圖1.3。圖1.3場(chǎng)致應(yīng)變曲線2000年以來(lái),西安工業(yè)與西安交通大學(xué)合作共同研究PMN-PT單晶的生長(zhǎng)及性能，將Bridgmab法進(jìn)行了改進(jìn)，成功的生長(zhǎng)出MPB處的PMN-32P單晶，沒(méi)有明顯的雜質(zhì)，為純的丐鐵礦相結(jié)構(gòu)

9、，其尺寸達(dá)40mM130mm得到的晶體有很好的均勾性和一致性，k33達(dá)90% d33也非常高，取值范圍為16002400pC/N,研究了在晶體生 長(zhǎng)過(guò)程中韓鈦礦相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性， 以及對(duì)出現(xiàn)的堪禍滲漏問(wèn)題進(jìn)行了 探討，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)鐵電相的單斜相結(jié)構(gòu)可以通過(guò)偏壓作用誘導(dǎo)形成。1.3論文研究的目的與意義目前，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的PMN-PT晶體的性能表征工作主要集中在介電，壓電和熱釋放方面，而對(duì)于光學(xué)性能研究相對(duì)較少。但是該種具 有氧八面體從化學(xué)氣相沉積法到磁控或射頻濺射沉積法和溶膠-凝膠法都為制備目前國(guó)內(nèi)主要研究單晶生長(zhǎng)的一些科研單位，如中科院上海桂酸鹽研究所、 西安工業(yè)大學(xué)以及西安交通大學(xué)等，都已成功生長(zhǎng)

10、出高類型的材料具有極優(yōu)異的電光效應(yīng)， 特別是準(zhǔn)同型相界附 近的電光系數(shù)普遍呈現(xiàn)極大值。 據(jù)此，可能開(kāi)發(fā)出高性能的電光材料， 預(yù)期在激光，光纖通訊，光信號(hào)傳導(dǎo)等光學(xué)額領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。為有效的探索該類晶體的光學(xué)性能， 我們將使用不同波長(zhǎng)的光測(cè)其透 過(guò)率和吸收率等光學(xué)性能， 研究電疇與光學(xué)性能的聯(lián)系， 然后加大小 不同的外加電場(chǎng)，觀察電疇的變化，測(cè)量光學(xué)性能，再利用不同的溫 度退火，觀察光學(xué)性能，最后總結(jié)電疇形態(tài)與光學(xué)性能之間的關(guān)系?；谝陨系脑?，本課題對(duì)晶體微結(jié)構(gòu)的成分分布和光學(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行研究。2本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案2.1論文研究的主要內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)采用PMN-32P

11、T鐵電單晶，定向切割，把切割下來(lái)的晶體在常溫下在熱臺(tái)偏光顯微鏡下觀察它的電疇形態(tài)， 以及各種不同波長(zhǎng) 光下的透過(guò)率和吸收率。 給待測(cè)樣品加外加電場(chǎng)的電壓， 觀察它的電 疇形態(tài)，測(cè)量他的透過(guò)率和吸收率。由于結(jié)構(gòu)決定性能，所以通過(guò)對(duì) 于不同結(jié)構(gòu)的材料各種性能不同推斷出結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能直接的聯(lián)系 從而得出結(jié)論。(1)在常溫下， 偏光顯微鏡下觀察材料的電疇尺寸形態(tài)， 不同波長(zhǎng)光下測(cè)量待測(cè)晶體的透過(guò)率和吸收率。(2)給待測(cè)樣品晶體加不同的外加電場(chǎng)， 觀察電疇以及光學(xué)性能。(3)給待測(cè)樣品晶體加不同的溫度退火， 觀察電疇以及光學(xué)性能。(4)通過(guò)不同狀態(tài)下的光學(xué)性能的不同來(lái)討論電疇與光學(xué)性能之間的聯(lián)系。(5)計(jì)算不同極化電場(chǎng)和熱處理溫度下材料的禁帶寬度， 分析外界條件對(duì)材料能級(jí)結(jié)構(gòu)的影響。2.2試驗(yàn)方案本文對(duì)待測(cè)樣品PMN-32P匸元晶體的微結(jié)構(gòu)，晶體的光學(xué)性能等方面進(jìn)行分析和表征。以下為試驗(yàn)方案流程：先對(duì)樣品進(jìn)行切割，切割完成后對(duì)樣品表面進(jìn)行打磨和拋光，拋光完成后對(duì)樣品進(jìn)行清洗樣品制備完成以后就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)部分。將樣品放在偏光顯微鏡下觀察其微觀結(jié)構(gòu)，并記錄照片信息。然后分別測(cè)量樣品的在紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)及紅外分光光度計(jì)下透過(guò)率和吸收率，并記錄數(shù)據(jù)。進(jìn)一步對(duì)樣品施加不同的外加電場(chǎng)，再次測(cè)量晶體在紅外和紫外可見(jiàn)下的透過(guò)率和吸收率。 其次對(duì)