摘 要

电子工业的迅速发展使大规模平面集成技术对相容性的要求日益增强，PZT薄膜材料因其优异的铁电、介电、压电、光电以及易与半导体集成等特点，具有非常广阔的应用前景。铁电薄膜材料的制备和其器件的应用己经成为当今国际高技术、新材料和高集成器件研究的前沿。本实验主要探索了退火温度和退火时间对PZT薄膜的结构和性能的影响，为改善PZT薄膜的结构和性能打下基础。

本实验验前驱体中采用醋酸铅(Pb(CH₃COO)₂·3H₂O)、正丙醇锆(Zr(C₃H₇O)₄)和异丙醇钛(Ti(OC₃H₇)₄)分别作为Pb、Zr及Ti的来源，乙二醇甲醚(C₃H₈O₂)为有机溶剂。在Pt/Ti/SiO₂/Si底片上通过溶胶-凝胶（Sol-Gel）分别在不同退火温度和不同退火时间下制备出无裂纹，致密性好，晶粒尺寸小且分布均匀的单一钙钛矿结构的Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃薄膜。采用X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析了薄膜的结晶性和微观形貌，确定了较好的制备参数，随后测量了PZT薄膜的铁电和介电性能，分析了不同制备条件下PZT薄膜电学性能的变化规律。

关键词：PZT薄膜，Sol-Gel法，制备工艺，电学性能

Abstract

With the rapid development of the electronics industry, large-scale planar integrated technology has made a higher request for compatibility. PZT thin films materials have a very wide application prospect due to its excellent properties of ferroelectric, dielectric, piezoelectricity, photovoltaic and the characteristic of easily integrating with semiconductor. The preparation of ferroelectric thin film and the application of the device made of it have become the forefront of today's international high-tech, new materials and high integration devices research. How annealing temperature and annealing time influence the structure and properties of PZT thin film have been explored in this experiment to make a solid foundation for improvements.

In the experiment, Lead acetate trihydrate(Pb(CH₃COO)₂·3H₂O), zirconium n-propoxide (Zr(C₃H₇O)₄) and titanium isopropoxide (Ti(OC₃H₇)₄) were used as the precursors of Pb, Zr and Ti respectively, 2-Methoxy ethanol served as the organic solvent. We have prepared crack-free, dense, small grain sized and uniformly distributed single perovskite structure Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃ films on Pt/Ti/SiO₂/Si film by sol-gel method at different annealing temperatures and annealing times respectively. The crystal structure and surface morphology of PZT thin film were analysed by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM), then we obtain the good preparation parameters. The ferroelectric and dielectric properties of PZT thin film were measured, and analysed the change law of film’s electrical properties under different conditions.

Key Words：PZT thin films, Sol-Gel method, Preparation technology，electric Properties

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1 铁电材料概述 1

1.1.1 晶体的铁电性 1

1.1.2 电滞回线 1

1.1.3 铁电薄膜的制备方法及特点 2

1.2 锆钛酸铅（PZT）材料 3

1.2.1 PZT结构特征 3

1.2.2 PZT材料的应用 4

1.2.3 PZT材料的研究现状 5

1.3 薄膜的形成、结构与缺陷 5

1.3.1 薄膜的形成过程 6

1.3.2 薄膜的结构 6

1.3.3 薄膜材料的缺陷 6

1.4本文的研究内容及意义 7

第2章 PZT薄膜的Sol-Gel法制备及表征 8

2.1 实验原料及仪器 8

2.1.1 实验原料 8

2.1.2实验仪器 9

2.2 PZT薄膜的Sol-Gel法制备 10

2.2.1 前驱体溶胶的制备 10

2.2.2 PZT薄膜的制备 12

2.3 PZT薄膜结构与电学性能的表征 13

2.3.1 PZT薄膜结构的表征 13

2.3.2 PZT薄膜电学性能的表征 14

第3章 PZT薄膜结构与电学性能的分析 16

3.1 制备工艺对PZT薄膜结构的影响 16

3.1.1 退火温度对物相结构和形貌的影响 16

3.1.2 退火时间对物相结构和形貌的影响 18

3.2 制备工艺PZT薄膜电学性能的影响 19

3.2.1 PZT 薄膜介电性能分析 19

3.2.2 PZT薄膜铁电性能测试 22

第4章 结论 25

参考文献 26

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 铁电材料概述

1.1.1 晶体的铁电性

晶体的某些特性需要在一定的温度范围内才能表现出来，比如自发极化特性，在不加外电场时本身具有自发极化、且其自发极化的取向能随外加电场的改变而改变的材料称为铁电体（ferroelectrics）材料，晶体的这种特性称为铁电性（ferroelectricity）^[1]，铁电体之所以具有自发极化特性，从根本上是由于具有特殊的晶体结构。并不是所有的晶体都具有自发极化的特性，只有10个特殊的极性点群才存在自发极化现象，这些特殊的点群内存在一个极化方向，如果晶胞内的正负电荷的中心不在同一直线上，也就是产生了位置上的差异，就会形成电偶极矩，因此呈现极性。铁电晶体结构具有非对称中心，属于极性点群，因此，铁电材料也是压电材料和热释电材料^[2]。

1.1.2 电滞回线