PbxSr1-xTiO3陶瓷及薄膜的制备和性能研究

Comment u1 文章标题为二号黑体 字 要求在 20 字以内 上下空半行 Comment u2 作者要求为小四号仿 宋字 Comment u3 单位为六号宋体字 与英文相对应 下空半行 Comment u4 摘要两字为小五号黑 体字 Comment u5 摘要内容为小五号宋 体字 字数为 100 300 字以内 Comment u6 关键词三个字为小五 号黑体字 Comment u7 关键词为小五号宋体 字 要求 3 8 个 Comment u8 中图分类号与文献标 识码几个字为小五号黑体字 TN384 和 A 为小五号英文字 Comment u9 英文标题为四号英文 黑体字 上空半行 Comment u10 英文作者为五号英文 黑体字 下空半行 Comment u11 英文单位为六号英文 字 Comment u12 Abstract 这个单词为 小五号英文黑体字 Comment u13 英文摘要的内容为小 五号英文字体 Tines New Roman Comment u14 Key words 这个单词 为小五号英文黑体字 Comment u15 关键词为小五号英文 字体 Tines New Roman Comment u16 文章正文为五号宋体 字 Comment u17 一级标题为小四号仿 宋字 上下空半行 Comment u18 二级小标题为五号黑 体字 收稿日期 收稿日期 2006 08 18 基金项目 基金项目 国家 九七三 基金资助项目 Z01 作者简介 作者简介 裴亚芳 1981 女 汉 湖北黄冈人 硕士生 或职称 主要从事钛酸锶铅铁电薄膜的制备及性能研究 文章单倍行距 页边距各文章单倍行距 页边距各2cm2cm PbPbx xSrSr1 x 1 xTiO TiO3 3陶瓷及薄膜的制备和陶瓷及薄膜的制备和性能研究性能研究 裴亚芳 杨传仁 陈宏伟 张继华 冷文健 电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室 四川 成都 610054 摘摘 要要 研究了Pb含量对PbxSr1 xTiO3 x 0 2 0 8 陶瓷微结构和介电性能的影响 当x 0 45时晶体为立方相 x 0 45时为四方相 随着Pb含量增大 陶瓷气孔率下降 致密度增加 晶粒尺寸逐渐增大 居里峰近似线性地 向高温方向移动 并具有一致的居里外斯常数 采用射频磁控溅射法在Pt Ti SiO2 Si 100 上制备了 Pb0 3Sr0 7TiO3 PST30 薄膜 经550 退火后为 111 择优取向的多晶薄膜 1 kHz下的可调率为21 8 关键词关键词 PbxSr1 xTiO3陶瓷 射频磁控溅射 Pb0 3Sr0 7TiO3 PST30 薄膜 微结构 介电性能 中图分类号 中图分类号 TN384 文献标识码 文献标识码 A Preparation and Properties of PbxSr1 xTiO3 Ceramics and Thin Films PEI Ya fang YANG Chuan ren CHEN Hong wei ZHANG Ji hua LENG wen jian State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054 China Abstract PbxSr1 xTiO3 x 0 2 0 8 ceramics were prepared by conventional powder processing method The effect of the Pb content on the microstructure and dielectric properties were studied X Ray diffraction studies show that the lattice structure changes from cubic to tetragonal phase at 45 Pb content Scanning Electron Microcopy studies indicate that the higher Pb content is the greater grain size and the higher density is r T curve exhibits that Curie Temperature linearly increases with the increase of Pb content and the compositions x 0 20 0 55 show the similar Curie Wiess constant Pb0 3Sr0 7TiO3thin film are prepared by RF magnetron sputtering on Pt Ti SiO2 Si 100 substrate and annealed at 550 Meanwhile the films exhibit 111 orientation and the tunability is measured to be 21 8 at 1 kHz Key words PbxSr1 xTiO3ceramics RF magnetron sputtering Pb0 3Sr0 7TiO3 thin film microstructure dielectric properties 微波可调介电材料在微波可调元件上有着广 阔的应用前景 如移相器 谐振器 滤波器等 1 2 目前研究得最多的是BaxSr1 xTiO3 BST 及其掺杂系 列 最近 Cross 3 等发现PbxSr1 xTiO3 PST 陶瓷可 调性高达70 介电损耗低于0 1 优值 FOM 高达 700 并且其薄膜具有比BST更低的晶化温度 是 一种非常实用的新型电场调节元件材料 目前PST 材料的研究尚处于起步阶段 只是对溶胶 凝胶 Sol Gel 法制备PST薄膜的研究相对较多 研究显 示可调率可高达80 1 4 损耗低至0 2 5 而对 PST系列陶瓷以及磁控溅射法制备PST薄膜的研究 较少 6 本文一方面就PbxSr1 xTiO3 x 0 2 0 8 陶瓷 中Pb含量对其晶体结构 微观形貌和介电性能的 影响进行研究 另一方面就磁控溅射制备PST薄膜 及其相关性能作初步研究 1 实验 1 1 PbxSr1 xTiO3 x 0 2 0 8 陶瓷的制备陶瓷的制备 采用传统的陶瓷制备工艺 以分析纯的 Pb3O4 SrCO3和 TiO2为原料并使 Pb 过量 10 根据所需的化学计量比制备 PbxSr1 xTiO3陶瓷圆片 在 900 下预烧 2 h 1 300 下烧结 2 h 1 21 2 PbPb0 3 0 3Sr Sr0 7 0 7TiO TiO3 3 PST30 PST30 薄膜的制备薄膜的制备 用相同的方法制备出 250 mm的PST30陶瓷靶 材 采用旋转磁场平面靶的射频磁控溅射设备在 Pt Ti SiO2 Si 100 上制备PST薄膜 其工艺参数为 Ar O2 9 1 溅射气压 0 5 Pa 溅射功率 200 W 基片温度 400 然后在550 含Pb3O4的空 气气氛中晶化处理 保温3 h 最后在其上蒸Au上电 极 得到PST薄膜电容器测试样品 1 31 3 测试与表征测试与表征 采用英国BeDe D1型X 射线衍射仪 XRD 进行 物相分析 HIOKI3532 50LCR测试系统进行介温 特性 r T 测试 日本电子Jeol公司的扫描电镜 SEM 观察陶瓷样品表面形貌 日本精工SPA 300HV型扫原子力显微镜 AFM 观察薄膜表面形貌 估算晶粒尺寸和表面粗糙度 RMS HP4284A LCR Comment u19 该三级小标题为五号 宋体字 Comment u20 图题为小五号宋体字 图的大小为宽 5cm 图中的字体为六 号黑体字 仪 测试信号 电压0 1 V 频率1 kHz 直流偏压 2 2 V 直流偏压步径为0 1 V 测量薄膜的电 容 电压 C V 特性曲线 所有测试均在室温下进行 2实验结果与讨论 2 12 1 PbPbx xSrSr1 1 x xTiO TiO3 3陶瓷陶瓷 2 1 1 Pb含量对晶体结构的影响 图1为PbxSr1 xTiO3陶瓷的XRD图谱 从图中可 看出 PST陶瓷均为钙钛矿结构没有出现礁绿石相 图2为其晶格常数a c以及a c与组分x的关系图 可见 随着Pb含量增加 a c均逐渐增大 晶体 对称性降低 逐渐由立方相向四方相转变 即当 x 0 45时 c a 1 晶体为立方顺电相 x 0 45 时 c a 1 晶体为四方铁电相 图1 PbxSr1 xTiO3陶瓷的XRD图谱 图2 PbxSr1 xTiO3陶瓷晶格常数与组分x的关系图 2 1 2 Pb含量对表面形貌的影响 图3为不同组分的PST陶瓷的SEM照片 由图可 知 随着Pb含量增加 陶瓷气孔率下降 致密度 增加 晶粒尺寸逐渐增大 其原因为 1 密度很大的PbTiO3含量增多必然导致样品 致密度增加 2 PbTiO3含量增多导致其液相作用增强 6 PbTiO3熔点为1 280 1 300 下烧结PbTiO3处于 液相 形成液相烧结 而液相可促进传质 使晶 粒长大 同时 液相能使晶粒在其中重排 使样 品致密化 并且固相的PST在液相中有较大的溶解 度 气孔沿着样品的晶粒边界排出导致气孔减少 图3 PbxSr1 xTiO3陶瓷的SEM照片 2 1 3 介电性能 图 4 为不同组分的 PST 陶瓷的 r T 图 从图中 可看出 PST 陶瓷在很宽的温度范围内存在相变 且只有一个相变点 根据各峰值所对应的横坐标 可得到其居里温度 TC 发现 TC与组分 x 近似的 线性关系为 TC 648x 242 73 PbTiO3的居里点 为 485 SrTiO3的居里点为 237 PST 的 TC 理论上可由 TC 485x 237 1 x 得到 7 但当 x 0 3 时 TC与理论值很接近 x 0 3 后 TC比理论值 要低得多 其原因是当 x 0 3 时 所添加过量的 Pb 能弥补烧结过程中 Pb 的挥发 当 x 0 3 时 由于随 Pb 含量增多 其烧成温度也降低 故在 1 300 下 Pb 大量挥发 所添加过量的 Pb 不能再 弥补 Pb 的挥发而导致 Pb Sr 比预定值要低 E Martinez 6 等所报道的 TC比本文结果低 可能是 制备时未添加过量的 PbTiO3 而 1300 下 Pb 大 量挥发而造成 Pb Sr 比 是指质量比 体积比还是 摩尔比预定值要低得多 图 4 PbxSr1 xTiO3陶瓷的介温特性曲线 图 5 为 TC 居里 外斯温度 T0 与组分 x 的 关系图 从图中可看出 TC都比 T0高 其差值在 4 6 11 4 范围内 根据居里 外斯定律 计算得到 相应的居里常数如表 1 所示 从表中可知其居里 常数基本一致 约为 0 63 105 Comment u21 表题为五号仿宋体 表中的字体为小五号宋体字 Comment u22 参考文献这几个字为 五号黑体字 上下空半行 Comment u23 参考文献的内容为小 五号宋体字或英文字体 Tines New Roman 图 5 TC T0与组成 x 的关系图 表 1 PbxSr1 xTiO3陶瓷的居里常数表 2 22 2 PST30PST30 薄膜薄膜 2 2 1 微结构 图6为退火后的PST30薄膜的XRD图谱 从图 中可见 除PST和Pt的特征峰外 没有其他杂相峰 为单一钙钛矿结构的多晶薄膜 计算得到 a b 0 329 4 nm c 0 392 8 nm c a 0 999 8 据此可判 断该PST30薄膜属立方相 其中 111 峰的相对强度 可由 I 111 I hkl 求出 大小为0 71 说明550 退火时该薄膜 111 择优取向生长 其原因为 2 2 2 C V曲线 图8为该薄膜的C V曲线 1 kHz下 直流偏压 分别为0和 2 V时的电容量分别为285 58 pF和 223 34 pF 计算得到可调率为21 8 本文所制备 的薄膜为立方相 而其C V却具有明显的非线性 与PST是位移型的铁电体有关 O G Vendik 11 等 认为 有序 无序型的铁电体在TC以上几度非线性 就会消失 而位移型的铁电体TC以上50 100 仍 将保持非线性 该C V曲线回线很小且不成 蝶形 Kyoung T Kim 12 等认为可能是该薄膜处于顺电相 的原因 而F Craciun 13 等认为可能是该薄膜铁电 畴细小的原因 3 结束语 采用传统的陶瓷工艺制备了PbxSr1 xTiO3 x 0 2 0 8 陶瓷 研究了Pb含量对其微结构 和介电性能的影响 当x 0 45时为立方相 x 0 45时为四方相 随着Pb含量的增加 陶瓷气 孔率下降 致密度增加 晶粒尺寸逐渐增大 并 且TC近似线性的向高温方向移动 不同组分的PST 的TC均比其T0高4 6 11 4 且具有一致的居里常 数 采用射频磁控溅射法制备了具有良好钙钛矿 结构的PST30薄膜 550 退火后为 111 择优取向 生长 取向度为0 71 薄膜表面平整致密无孔洞 晶粒大小均匀但细小 结晶不够完整 该薄膜具 有明显的介电系数非线性 可调率21 8 参考文献参考文献 1 KNAUSS L A POND J M HORWITZ J S et al The effect of annealing on the structure and dielectric properties of BaxSr1 xTiO3 ferroelectric thin films J Appl Phys Lett 1996 69 1 25 27 2 COLE M W JOSHI P C ERVIN M H The influence of Mg doping on the materials properties of Ba1 xSrxTiO3 thin films for tunable device applications J Thin Solid Films 2000 374 1 34 41 3 SOMIYA Y BHALLA A S CROSS L E Study of Sr Pb Ti03 ceramics on dielectric and physical properties J Inter J Inorg Mater 2001 3 7 709 714 4 KIM Kyoung T KIM Chang II Dielectric properties of highly 100 oriented Pb0 5 Sr0 5 TiO3 thin films grown on Si with MgO buffer layer J J Vac Sci Technol B 2004 22 6 2615 2619 5 KIM Kyoung Tae KIM Chang II Dielectric properties of highly 1 0 0 oriented Pb0 5 Sr0 5 TiO3 thin films grown on LaNiO3 electrodes J Thin Solid Films 2004 447 448 651 655 6 FUNAKUBO H ARATANI M OIKAWA et al Ferroelec tricity of one axis preferred oriented polycrystalline Pb Zr Ti O3 films prepared by pulsed metalorganic chemical vapor deposition J J Appl phys 2002 92 11 6 768 6 772 7 KIM Kyoung T KIM Chang I Structure and dielectrical properties of Pb