Pb(Zr₄₀Ti₆₀)O₃/Nb:SrTiO₃在微波磁场中的结晶化及电学性能

摘要

【目的】由于以锆钛酸铅为典型钙钛矿相的铁电薄膜材料具有优异的综合电学特性，被广泛应用于铁电存储器、薄膜电容器和微机电系统等领域。PZT铁电薄膜的电学性能为器件设计和制造中至关重要的因素，直接影响器件的使用寿命，而另一个不可忽视的问题是如何快速高效地制备出高性能PZT薄膜。在PZT薄膜高效制备过程中需要考虑影响薄膜电学性能的因素，从而满足不同器件对其性能的需求。微波退火可以有效降低铁电薄膜制备过程的加热温度或加热时间，是高效制备性能优异PZT铁电薄膜工艺中的常用手段。在微波退火过程中基板的选择和特性会对薄膜性能产生重要影响，因而需要进行深入研究。【方法】为了更有效地利用微波退火制备功能薄膜，通过研究不同Nb掺杂量的SrTiO₃（Nb:SrTiO₃）单晶基片在微波磁场中的加热行为，探讨了微波与材料间的相互作用。随后通过溶胶-凝胶法在具有不同Nb掺杂量的Nb:SrTiO₃基片上沉积了非晶态Pb(Zr₄₀Ti₆₀)O₃（PZT）薄膜，利用微波退火使其结晶，并研究了微波退火对PZT薄膜微结构与电学性能的影响。【结果】Nb:SrTiO₃基片的加热行为取决于其电导率、趋肤深度和厚度等因素。为保证导电率较高的单晶基片的加热温度，可以通过微波输出功率进行调控。随着Nb:SrTiO₃基片中Nb掺杂量的增加，基片在微波磁场中的加热温度和加热速率逐渐降低。受趋肤深度和厚度的影响，Nb质量分数为0.05%的基片在微波磁场中表现出最佳加热行为。微波可对材料内部的带电缺陷直接作用，减少了PZT薄膜的内部缺陷，从而实现PZT薄膜的快速结晶化。同时PZT薄膜对铁电畴的钉扎作用减弱，导致PZT薄膜呈现出饱和的P-E电滞回线，从而进一步提高PZT薄膜的极化强度。【结论】微波退火可在短时间内使铁电薄膜结晶成为钙钛矿相，实现PZT薄膜的高温快速制备，并提高PZT薄膜的电学性能，而且这一效果随微波功率的增大而更加明显。

关键词

微波退火 / Nb:SrTiO₃基片 / 加热行为 / Pb（ZrTi）O₃薄膜 / 电导率 / 趋肤深度 / 微波功率 / 铁电性能