不同热处理工艺和极化PMNPT铁电晶开题报告.doc

不同热处理工艺和极化PMNPT铁电晶开题报告 1毕业设计（论文）综述 1.1研究背景 PMN-PT它是一种新型驰豫型铁电体，由于具有优越的压电性备受关注。PMN-PT光电透明陶瓷属于钙钛矿型多晶结构，可以用ABO3表示:(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT)。其中A位为Pb元素，B位为Mg、Nb和Ti元素。为了达到最佳的透光效果和电光系数，某些元素如Ba或La被加入到PMN-PT中，部分取代A位的Pb元素。PMN-PT材料成分分布被分为3个主要区域：二次方区、存储区和线性区。光电材料的成分主要分布在二次方区域，且二次方区域的x取值为0.10.35。PMNPT是具有各向同性的最小能量稳定结构和易被扭曲的电场。在外电场作用下，所有的畴都倾向于外电场排列，即发生极化，光就会产生双折射，从而表现出很强的电光效应。 没有外加电场作用下的晶体，正电荷和负电荷的重心是不重合的，呈现出了电偶极矩现象。晶体内部会自发极化。可以发生自发极化，且方向能够因外施电场方向的反向而反向的晶体，称为铁电晶体。、这种性质称之为铁电性。具有铁电性的晶体称为铁电体若晶体产生自发极化那么晶体两侧就会在自发极化所对应的方向上表现出不同的极性，两端分别附着一层束缚电荷，且电荷异号，从而产生电场， 但是电场在晶体内部的方向与极化的方向相反，称电场为退极化场，随之升高的还有静电能。当受到机械的约束时，将增加自发极化所产生的应变能，因此晶体的状态在极化均勻的情况下是不稳定存在的。在施加交变电场的情况下，铁电体的极化强度与场强有一定的关系，显示的曲线称电滞回线，如图1.1所示。 图1.1铁电体的电滞回线 电滞回线的产生是由于铁电晶体中存在铁电畴。当给铁电体施加外电场的条件下，与电场方向相同的电畴会形成新的畴核，畴壁会相应的开始运动，使得电畴的体积会快速的增大，而与电场方向相反的电畴则会消失。矫顽电场的强度与温度以及频率都有很大的关系，通常随着温度的增加而下降， 随着频率的增加而增大。在早期，判断铁电体是否具有铁电性的依据是是否有电滞回线，但是现如今相对于铁电体来说，电滞回线己经不是判断铁电性的唯一依据了。因为测量方法并不能准确的判断出，电滞回线确实是由铁电性所引起的。 普通铁电体与豫铁电体存在着很大的区别区别。豫铁电体比较明显的特性主要是：（弥散相变，即顺电相与铁电相之间的转变是逐渐变化的，而不是突然从一个相转变为另一个相，这种相变可以由介电温谱观测到，介电峰如果不是很尖锐而是很圆滑，就说明相变是弥散的。频率色散，在介电温谱的测试中，随着频率的增加，介电峰和损耗峰从低温一侧略微向高温一侧移动，介电峰随频率的增加而降低，损耗峰随频率的增加而增加。PMN-PT的介电特性曲线如图1.2所示。 （a）介电常数-温度普线（b）介电损耗-温度普线 图1.2弛豫铁电体PMN-PT和普通铁电体BaTiO3的介电特性曲线 1.2国内外相关研究情况 1824年Brewster观察到许多矿石具有热释电性。1880年约居里和皮居里发现当对样品施加应力时出现电极化的现象。然而在早期发现的所有热释电体中是不存在铁电体的。在未经处理的铁电单晶中，电畴的极化方向是杂乱的，晶体的净极化为零，热释电响应和压电响应也十分微小，这就是铁电体很晚才被发现的主要原因。直到1920年，法国人Valasek发现了罗息盐（酒石酸钾钠）特异的介电性能，才掀开了铁电体的历史。铁电体早在20世纪40年代就引起物理学界和材料学界的关注，但由于大块铁电晶体材料不易薄膜化,与半导体和金属不相兼容,使其未能在材料和信息领域扮演重要色。随着薄膜制备技术的发展，克服了制备高质量铁电薄膜的技术障碍，特别是能在不同衬底材料上沉积高质量的外延或择优取向的薄膜，使铁电薄膜技术和半导体技术的兼容成为可能。由于人工铁电材料种类的不断扩大，特别是铁电薄膜制备技术和微电子集成技术的长足发展，以及光电子和传感器等相关技术的发展,也对铁电材料提出了小型化、集成化等更高的要求。正是在这样的研究背景下，传统的半导体材料和陶瓷材料结合而形成新的交叉学科集成铁电学(IntegratedFerroelectrics)出现了，并由此使铁电材料及其热释电器件的研究和开发呈现2个特点:是由体材料组成的器件向薄膜器件过渡；是由分立器件向集成化器件发展。正是在这种集成化器件中铁电薄膜已经成为硅或砷化镓集成电路的重要组成部分。铁电薄膜材料还被广泛用于非易失性存储器、动感随机存储器、薄膜电容器、红外探测器、介电热辐射测量计、相存储器和光学传感器等等。复合成的集成器件或微小器件广泛地应用于军事、航空航天、原子核工业和其它辐射环境中使用的新一代计算机等很多领域。 在过去的时间里，铁电体的制备有很多的方法。其中应用最广泛的有射法、溶胶-凝胶法、激光分子束外延法、脉冲激光沉积法。从化学气相沉积法到磁控或射频溅射沉积法和溶胶-凝胶法都为制备性能卓越的铁电薄膜做了深入的探索。 目前国内主要研究单晶生长的一些科研单位，如中科院上海桂酸盐研究所、西安工业大学以及西安交通大学等，都已成功生长出高质量的类铁电单晶，并且生长单晶的方法也己研究的较为成熟，有很好的重复性以及稳定性。可以说已经与国际水平差不多，在某些特有方面甚至是已经超过了国际水平。在实际应用当中，生长出的晶体尺寸、数量和质量能够满足一些器件对材料的要求，为这类材料的商业化奠定了基础采用改进的方法，首个国内高质量的单晶由中科院上海娃酸盐研究所成功地生长出来，单晶的尺寸达，晶片的尺寸可达，图为上海娃酸盐研究所生长出的单晶，以及场致应变曲线如图1.3。 图1.3场致应变曲线 2000年以来，西安工业与西安交通大学合作共同研究PMN-PT单晶的生长及性能，将Bridgmab法进行了改进，成功的生长出MPB处的PMN-32PT单晶，没有明显的杂质，为纯的丐铁矿相结构，其尺寸达40mm130mm，得到的晶体有很好的均勾性和一致性，k33达90%，d33也非常高，取值范围为16002400pC/N，研究了在晶体生长过程中韩钛矿相结构的稳定性，以及对出现的堪祸渗漏问题进行了探讨，同时也发现铁电相的单斜相结构可以通过偏压作用诱导形成。 1.3论文研究的目的与意义 目前，钙钛矿结构的PMN-PT晶体的性能表征工作主要集中在介电，压电和热释放方面，而对于光学性能研究相对较少。但是该种具有氧八面体类型的材料具有极优异的电光效应，特别是准同型相界附近的电光系数普遍呈现极大值。据此，可能开发出高性能的电光材料，预期在激光，光纤通讯，光信号传导等光学额领域有潜在的应用前景。为有效的探索该类晶体的光学性能，我们将使用不同波长的光测其透过率和吸收率等光学性能，研究电畴与光学性能的联系，然后加大小不同的外加电场，观察电畴的变化，测量光学性能，再利用不同的温度退火，观察光学性能，最后总结电畴形态与光学性能之间的关系。 基于以上的原因，本课题对晶体微结构的成分分布和光学性能之间的关系进行研究。 2本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案 2.1论文研究的主要内容 本实验采用PMN-32PT铁电单晶，定向切割，把切割下来的晶体在常温下在热台偏光显微镜下观察它的电畴形态，以及各种不同波长光下的透过率和吸收率。给待测样品加外加电场的电压，观察它的电畴形态，测量他的透过率和吸收率。由于结构决定性能，所以通过对于不同结构的材料各种性能不同推断出结构与光学性能直接的联系从而得出结论。 (1)在常温下，偏光显微镜下观察材料的电畴尺寸形态，不同波长光下测量待测晶体的透过率和吸收率。 (2)给待测样品晶体加不同的外加电场，观察电畴以及光学性能。 (3)给待测样品晶体加不同的温度退火，观察电畴以及光学性能。 (4)通过不同状态下的光学性能的不同来讨论电畴与光学性能之间的联系。 (5)计算不同极化电场和热处理温度下材料的禁带宽度，分析外界条件对材料能级结构的影响。 2.2试验方案 本文对待测样品PMN-32PT二元晶体的微结构，晶体的光学性能等方面进行分析和表征。以下为试验方案流程： 先对样品进行切割，切割完成后对样品表面进行打磨和抛光，抛光完成后对样品进行清洗样品制备完成以后就可以进行实验部分。 将样品放在偏光显微镜下观察其微观结构，并记录照片信息。然后分别测量样品的在紫外可见光分光光度计及红外分光光度计下透过率和吸收率，并记录数据。进一步对样品施加不同的外加电场，再次测量晶体在红外和紫外可见下的透过率和吸收率。其次对样品在不同温度下退火