1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1. 研究背景

压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。

具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，铁电畴由自发极化方向反向平行的180#176; 畴和自发极化方向互相垂直的90#176;畴组成，这些电畴在人工极化（施加强直流电场）条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤消外电场后保持剩余极化强度，因此具有宏观压电性。

铁电陶瓷由于制备工艺简单成本低而受到广泛应用。其高介电常数可应用于大容量电容器、高频微型电容器、高压电容器、多层陶瓷电容器等（MLCC）等；其自发极化可随外电场重新取向的特性可用于固态存储器；其家电常熟随外场表现出的非线性变化可用于介质放大器等；其热释电性可用于红外探测器。

2. 含铅压电陶瓷材料

2.1 锆钛酸铅基反铁电陶瓷

锆钛酸铅(PZT)是有名的钙钦矿反铁电体，由于具有优异的铁电、压电和介电性能而成为广泛应用的对象。它是PbZrO3和PbTiO3的固溶体，具有钙钛矿型结构。其化学式为PbZrxTi1-xO3,简称PZT，结构如图一，顶角为较大的A离子占据，6个面心由O离占据，这些氧离子形成氧八面体，如图2.B离子处于其中心，整个晶体可看成由氧八面体共顶点联接而成，具有3个四重轴、4个三重轴和6个二重轴，各氧八面体之间的空隙则由A离子占据。A和B的配位数分别为12和6.由于Ti⁴ 的离子半径和Zr⁴ 相近，且两种例子的化学性能相似，所以PbZrO3和PbTiO3能以任何比例形成连续固溶体。

锆钛酸铅(PZT)铁电压电材料具有优异的介电、铁电、热释电等物理性能，应用范围广，因而成为目前国际材料理论和实验研究中的重要内容之一。
2.2 Pb(Zr,Sn,Ti)O₃基反铁电陶瓷

锆钛锡酸铅（PZST）基反铁电陶瓷由于优异的场诱相变和可调节的介电及压电性能，被广泛应用于大位移致动器、爆电换能器及高密度储能电容器中。此外，PZST基反铁电材料具有介电场致增强效应，包内看作是用来制备非制冷红外探测器的重要备选材料之一。然而PZST在使用过程中可能遇到可加工性不好、热释电性能偏低、温区过窄、居里点太高等问题。Berlincunt等研究发现掺杂微量La或者Nb元素可使得PZST系列相态更加丰富，并给出了PLZST陶瓷相图，为该系列陶瓷材料的制备和裁剪提供了更大的选择。

2.2.1 PLZST陶瓷铁电和介电性能

电滞回线是反映陶瓷材料铁电性的重要手段，张崇辉等制备了四组样品（图2），样品成瓷良好，色泽黄亮，致密，密度接近理论值。4组样品的第一圈电滞回线如图3所示。在、周期三角波电场（-1.5~1.5kV/mm）作用下，计划强度P开始随电场缓慢增加，在a点附近开始急剧增加，然后增加逐渐减缓在b点附近趋于饱和，将a点对应的电场称为正向转换电场，记为E_k。极化强度为0时对应的电场成为矫顽场，如c点或f点，记为E_c。E_k和E_c的大小关系是反映陶瓷材料原始状态为铁电相和反铁电相的重要特征。图2表明S₁到S₃样品铁电性减弱，反铁电性增强，与样品的组份选择一致.

图3为样品的介电常数和介电损耗随温度变化曲线。频率选择1.0kHz、10kHz、100kHz，升温速度为3℃/min。图2（a）为样品S₁的介电谱，开始升温，相对介电常数缓慢增加，在149℃处出现第一个小高峰，继续升温，介电常数急剧增大，并在163℃处达到最大值，然后迅速减小，形成第二个尖锐的峰。第一个峰对应样品S₁的铁电-反铁电相变，比较微弱，第二个峰则为样品的反铁电-顺铁电相变点，是其介电主峰。同样在149℃处介电损耗曲线上出现明显的峰，围在AFE-PE相变点介电损耗未出现明显异常，只是在AFE-PE相变点之后，介电损耗出现明显的频率色散，尤其是当温度高于240℃时，1.0kHz对应的损耗急剧增大，这是由于温度较高是样品的漏导急剧增大所致。在整个升温过程中介电常数没有频率色散现象。

3.水热法制备陶瓷纳米粉体

水热法又名热液法，是指在密封压力容器中，以水（或其它溶剂）作为溶媒（也可以使固相成分之一），在高温高压的条件下，研究，加工材料的方法。水热法制备纳米粉体的化学反应过程是在流体参与的高压容器中进行.高温时，密封容器中一定填充度的溶媒膨胀，充满整个容器，从而产生很高的压力。外加压式高压釜则通过管道输人高压流体产生高压，为使丈应较快和较充分进行，通常还需在高压釜中加人各种矿化剂。水热法最大的特点在于反应发生在高温高压流体中，因而溶媒的性质和高压反应装置的研究非常重要。Adair等收集了大量的重要陶瓷系统的水热溶解度和热力学数据，对于多层电容器和PTCR用介电粉末、压电粉末，复合结构材料用晶须，用于结构和电子陶瓷完全掺杂成份粉末等的制备工艺发展起了决定性的作用。水热法借助高压釜可以获得通常条件下难以获得的几个纳米到几十纳米的粉末。水热法制得的粉体粒度分布窄，团聚程度低，成份纯净，而且制备过程污染小、成本低。

4.无机薄膜的制备技术

随着薄膜科学技术与薄膜物理学的发展，薄膜在微电子、光学、窗器、表面改性等方面的应用日益广泛;而薄膜产业的日趋壮大又刺激了薄膜技术和薄膜材料的蓬勃发展。面对新技术革命提出的挑战，无机薄膜材料的制备方法也日新月异，与以往的制膜方法相比有了新的特点，方法也向着多元化的方向发展。目前的薄膜制备方法主要有物理和化学方法2大类。

1.物理气相沉积方法(PVD法)是指通过蒸发或溅射等物理方法提供部分或全部的气相反应物，经过传输过程在基体上沉积成膜的制备方法。其基本过程有气相物质的提供、传输及其在基体上的沉积，按照气相物质产生的方式可大致分为:蒸发镀(真空蒸发和电子束蒸发)、溅射镀(真流溅射、射频溅射与离子束溅射)与离子镀。

2.化学气相沉积(CVD法）是一种化学的气相生长法，它是指把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物、单质气体供给基片，借助气相的作用或在基片上发生的化学反应生成所需要的膜，它具有设备简单、绕射性好、膜组成控制性好等特点，比较适合于制备陶瓷薄膜。这类方法的实质为利用各种反应，选择适当的温度、气相组成、浓度及压强等参数，可得到不同组分及性质的薄膜，理论上可任意控制薄膜的组成，能够实现以前没有的全新的结构与组成。

3. 水热法顾名思义是使用水作为反应介质，为反应物提供一个密闭的高温高压的环境，使反应物之间发生反应在密闭的环境下，在反应体系中产生一个高温高压的环境，反应物之间会发生化学反应，从而形成新的物质。

参考文献

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、本课题要研究的主要问题是：

(1)如何获得取向单一的PNZST薄膜。

(2)如何获得覆盖率高的PNZST薄膜。

(3)控制PNZST薄膜厚度在200mm左右。

二、拟采用的研究手段：实验选取PNZST反铁电陶瓷作为研究对象，采用水热法制备PNZST反铁电陶瓷陶瓷，探索铌锡锆钛酸铅材料的化学组成、结构变化与电学性能之间的关系。主要分为以下几个方面的工作：

(1)PNZST反铁电陶瓷的工艺流程

水热法制备PNZST薄膜：将乙酸铅、草酸铌、正丙醇锆、氯化锡、钛酸四丁酯按照化学计量比称量后混合，加入矿化剂KOH，在常温常压下混合均匀，在溶液中加入（001）取向的单晶钛酸锶基板，在200#176;C下保温2-8 h，进行水热生长。反应结束后取出基板，放入去离子水中超声清洗，烘干基本准备表征。

（2）性能的表征：用XRD检测物相，用SEM观察晶粒的形貌尺寸，用铁电测试仪测试其反铁电性能，并对其性能建立连接。

三、实施方案

（1）研究不同保温时间对PNZST薄膜的影响。压蒸温度为200#176;C，初始KOH水溶液浓度为1mol/L，初始反应物浓度为0.125mol/L，在这些条件下合成PNZST陶瓷材料，保温时间分别为2h，4h，8h。

（2）研究不同初始浓度的KOH水溶液浓度对PNZST的影响。初始反应物浓度为0.125mol/L，保温时间为4h，压蒸温度为200#176;C，KOH水溶液的初始浓度分别为1mol/L，2mol/L，5mol/L。

（3）研究不同反应物溶液初始浓度对PNZST薄膜的影响。保温时间为4h，压蒸温度为200#176;C，初始KOH水溶液浓度为1mol/L，，反应物初始浓度分别为0.20mol/L，0.25mol/L，0.30mol/L。