摘 要

信息化现代化的迅猛发展对现有的压电材料提出了更大的要求，电子器件像微型化和智能化方向发展，同时为响应国家十三五规划，减少对环境的污染，研究者们开始关注对环境友好型材料，终于发现无铅压电材料BZT-xBCT具有可以与PZT材料相媲美的压电性能，通过A位B位掺杂或引入新组元还可以明显的改变薄膜材料的居里温度、介电常数、矫顽场、剩余极化、压电系数等特性，从而改善材料的介电、铁电和压电性能。我们采用溶胶凝胶法和旋涂工艺制备0.5BZT-0.5BCT薄膜 然后研究Fe掺杂对0.5BZT-0.5BCT薄膜的微观结构和电性能的影响，并采用XRD进行物相分析以及AFM分析薄膜的显微结构表征，利用铁电工作站、交流阻抗分析仪对其介电、铁电及压电性能进行表征，获取合适的工艺参数。

首先通过实验我们在热处理温度800℃，退火时间为3min时得到无孔洞、裂纹，结晶度良好的0.5BZT-0.5BCT薄膜；随后对该薄膜进行了掺杂改性研究，发现其在不同Fe掺量下均能得钙钛矿相，无第二相，且表面致密平滑，当膜厚为(6层)300nm时，0.5BZT-0.5BCT-xFe具有良好的铁电及压电性能。Fe掺量x=0.01时的0.5BZT-0.5BCT薄膜铁电性能最好，剩余极化强度(Pr)为14.72μC/cm²，矫顽场强(Ec)为305kV/cm；1MHz下x=0.01的0.5BZT-0.5BCT-xFe薄膜的介电常数值为1290，达到最大值，且介电稳定性较好，介电损耗值为0.042，d有效值为496pm/V。

本文特色：通过改进前人对锆钛酸钡钙基陶瓷的研究，制备出了性能优良，对环境友好的0.5BZT-0.5BCT薄膜，并在0.5BZT-0.5BCT薄膜的基础上研究Fe掺杂对该薄膜的介电、铁电、压电性能的影响。

关键词：0.5BZT-0.5BCT薄膜；溶胶-凝胶法；介电性能；铁电性能

Abstract

The rapid development of information modernization has put forward more demands on the existing piezoelectric materials, electronic devices like miniaturization and intelligent direction, and in response to the national thirteen five plan to reduce the pollution of the environment, the researchers began Concerned about environmentally friendly materials, and finally found that lead-free piezoelectric materials BZT-xBCT^[1] can be comparable with the PZT material piezoelectric properties, through the A-bit B-doped or the introduction of new components can also significantly change the film material home Temperature, dielectric constant, coercive field, residual polarization, piezoelectric coefficient and other characteristics, thereby improving the material dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties. The effects of Fe doping on the microstructure and electrical properties of 0.5BZT-0.5BCT thin films were investigated by sol-gel method and spin-coating process. The effects of Fe doping on the microstructure and electrical properties of 0.5BZT-0.5BCT films were investigated by XRD. The microstructures of the films were characterized by ferroelectric workstations and electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and their electrical, ferroelectric and piezoelectric properties were characterized.

The results show that the optimum process parameters of 0.5BZT-0.5BCT-xFe film are 0.5BZT-0.5BCT films with no pores, cracks and good crystallinity when the heat treatment temperature is 850 ℃ and the annealing time is 30min. Iron content can be obtained under the perovskite phase, no second phase, and the surface dense and smooth. When the film thickness is (six layers) 450nm, 0.5BZT-0.5BCT has good ferroelectric and piezoelectric properties. The 0.5BZT-0.5BCT thin film with Fe content x = 0.01 has the best ferroelectric properties, the residual polarization (Pr) is 14.72μC / cm², the coercive field strength (Ec) is 305kV / cm; x = 0.01 under 1MHz The dielectric constant of the 0.5BZT-0.5BCT-xFe film is 1290, reaching the maximum value, and the dielectric stability is good, the dielectric loss is 0.042; d reached 496pm / V。

In this paper, the preparation of 0.5BZT-0.5BCT thin films with excellent performance on the preparation of barium zirconate titanate-based ceramics was studied. Based on the 0.5BZT-0.5BCT thin films, Of the dielectric, ferroelectric, piezoelectric properties of the impact

Keywords: BZT thin films; sol-gel; Dielectric properties; Ferroelectric properties

目录

摘 要 I

Abstract II

第 1 章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究内容及研究现状 2

1.3 0.5BCT-BZT薄膜的性能 3

1.3.1压电性能 3

1.3.2铁电性能 3

1.3.3介电性能 4

1.4薄膜材料制备方法 4

1.4.1射频磁控溅射法 4

1.4.2脉冲激光沉积法 4

1.4.3金属有机化学气相沉积法 5

1.4.4水热法 5

1.4.5溶胶-凝胶法 5

1.5本论文的研究内容及意义 5

第2章实验材料与方案 7

2.1实验材料及仪器 7

2.2实验方法 8

2.2.1溶胶-凝胶法制备0.5BCT-0.5BZT薄膜 8

2.3测试方法 9

2.3.1XRD测试 9

2.3.2形貌表征 9

2.3.3电极测试 10

第3章实验结果与分析 12

3.1不同热处理温度对薄膜的影响 12

3.1.1不同热处理温度的XRD图 12

3.1.2不同热处理温度的AFM图 13

3.2不同热处理时间对薄膜电性能的影响 14

3.2.1热处理时间对0.5BZT-0.5BCT薄膜的影响 14

3.2.2不同热处理时间的AFM图 14

3.3不同薄膜厚度对薄膜结构及电性能的影响 15

3.3.1不同薄膜厚度下的XRD图谱 15

3.3.2不同薄膜厚度下的AFM图谱 15

3.3.3不同厚度对0.5BZT-0.5BCT薄膜介电性能的影响 16

3.3.4不同厚度对0.5BCT-0.5BZT薄膜铁电性能的影响 16

3.4不同Fe掺量对薄膜性能的影响 17

3.4.1不同Fe掺量的XRD图 17

3.4.2不同Fe掺量对0.5BZT-0.5BCT薄膜铁电性能影响 18

3.4.3不同Fe掺量对0.5BZT-0.5BCT薄膜介电性能的影响 18

3.4.4不同Fe掺量对0.5BZT-0.5BCT薄膜压电性能的影响 20

结论 22

参考文献 23

致谢 25

第1章 绪论

1.1研究背景

压电材料广泛地应用于电子、通讯设备、汽车领域到医疗电子、航空航天及军工高端领域，并且对其的需求与日俱增。目前，大量研究和广泛使用的钙钛矿材料主要为含铅类材料，然而，大部分铅基材料的含铅量高达70%，在其制备和长期使用的过程中会挥发出有毒的氧化物气体（如Pb₃O₄和PbO等），严重地影响了环境的污染及人体的健康。其次它的矫顽场强较大，需要的翻转电场也会变大，还有它严重的疲劳特性使得该材料使用寿命变短。因此，研究和开发环境友好型、性能先进性和应用舒适性的环境材料成为一个在世界范围内达成广泛共识的重大经济和社会议题。

近年来，研究者们一直在寻找一种能够代替PZT基的材料，如钛酸钡(BaTiO₃)基材料、钛酸铋钠基结构陶瓷、钨青铜结构的铌酸盐等无铅压电陶瓷被广泛研究，但是它们的压电常数很小(d≤300pC/N)，远远小于PZT压电常数(d≈600pC/N)。为了找出能够替代PZT的材料，研究者们对PZT基材料进行了大量的研究，发现准同型相界（MPB）结构与其具有高压电性能有很大联系，因此，研究者试图找到一种具有MPB结构的无铅压电材料取代PZT。2009年，刘、任^[2]等人报道了无铅 Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃–x(Ba_0.7Ca_0.3)TiO₃（BZT-xBCT）压电材料在某一位置具有与PZT类似的准同型相界（MPB）结构，即在三相点(立方相、四方相和三斜相三相交界点)附近显示出高的压电常数（d达到620pC/N）以及可以比拟PZT的压电性能。Liu等人在研究BZT-xBCT陶瓷的相图过程中，发现它具有和PZT相似的准同型相界（MPB）结构^[3]。如图1.1所示