锆钛酸铅薄膜中铁弹畴的研究

作     者：程志浩 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁国亮;吴迪

授予年度：2016年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：PZT薄膜 铁弹畴 a/c多畴 分步反转 

摘      要：铁电材料具有优越的介电性、铁电性、压电性、热释电性以及电光效应、声光效应等特性,Pb(Zr,Ti)O3作为最有前景的铁电材料之一,已经被广泛研究并应用于微机械系统、传感器、铁电存储器等领域。但就现阶段存储器的应用来说,需要更深入的探索,来突破和解决尺寸、能耗、成本等难题。其中Pb(Zr,Ti)O3薄膜中的畴结构会对其性能产生极大影响,因此对薄膜中畴结构的研究和调控就显得尤为重要。本文首先采用脉冲激光沉积法在多种衬底上制备Pb(***0.9)O3薄膜,随后通过X射线衍射和扫描探针显微镜对薄膜样品的晶体结构、表面形貌以及畴结构进行表征。本文主要研究了三方面的内容：(1)高质量异质外延Pb(Zr0.1Ti0.9)O3薄膜的脉冲激光沉积法制备;(2)Pb(Zr0.1Ti0.9)O3薄膜中铁弹畴的形成机制及调控;(3)畴结构对Pb(Zr0.1Ti0.9)O3薄膜极化反转的影响。具体内容如下：通过PLD制备高质量外延Pb(Zr0.1Ti0.9)O3薄膜时,需要将靶材制备、单晶衬底的湿化学处理以及薄膜的PLD生长三个部分共同优化。此时,可以制得具有平整表面界面、与衬底良好共格生长、无明显弛豫的外延Pb(Zr0.1Ti0.9)O3薄膜。在(110)DyScO3和(001)SrTiO3衬底上,以SrRuO3为底电极和缓冲层,生长不同厚度的Pb(Zr0.1Ti0.9)O3薄膜,分别表征其畴结构。衬底类型和薄膜厚度会改变薄膜中的外延应变,而表征结果显示只有在以(110)DyScO3为衬底并且薄膜厚度在一定范围内的Pb(Zr0.1Ti0.9)O3薄膜中,才会存在铁弹畴。我们认为,铁弹畴受到薄膜中外延应变的调控,铁弹畴的形成可以弛豫薄膜中的应变能。在具有铁弹畴的Pb(Zr0.1Ti0.9)O3薄膜中,通过施加电或者力进行铁电极化反转时,可观察到分步的反转方式,即铁弹畴是极化反转的中间状态。对比只存在c畴的Pb(Zr0.1Ti0.9)O3薄膜的极化反转,其反转过程中并不会形成铁弹畴。同时,结果显示,具有铁弹畴的薄膜完成极化反转所需施加的电或者力都较小。我们认为,铁弹畴的存在可以降低极化反转的矫顽场。总之,本文对于Pb(Zr0.1Ti0.9)O3薄膜中铁弹畴的研究使得铁弹畴结构的精细调控成为可能,同时,高质量外延Pb(Zr0.1Ti0.9)O3薄膜制备工艺的探索以及分步的极化反转方式和铁弹畴降低极化反转矫顽场等现象的发现,都对铁电材料的进一步研究和在存储器等各方面的应用具有十分重要的意义。