FTO基底钛酸钡薄膜的制备及性能研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

人类社会的发展过程就是其所用材料和工具不断进步的过程。21世纪,人类进入信息社会,材料作为世界公认的新技术革命的三大支柱产业之一,在工业生产和人类生活中扮演着越来越重要的角色。由于材料学本身研究范围极广,近些年来被分成许多相互联系又差别很大的分支,铁电压电功能材料是其中独立而重要的分支。近半个世纪以来,随着科学技术的发展,铁电压电材料技术取得了突飞猛进的发展,无论是理论研究还是实际应用都取得了丰硕的成果,已经成为材料科学的重要研究方向。

压电材料作为信息化的进程中不可或缺的功能材料,主要功能是实现电能和机械能两种能量之间的相互转换。压电材料可以将机械能转换为电能,致使其在换能器、驱动器、传感器等领域具有广阔的发展前景。在新型陶瓷中,铁电压电陶瓷是一类重要的电子陶瓷材料,被称为电子工业的支柱。而铁电压电陶瓷中最常见的一种钛酸钡及钛酸钡基材料的研究历史已经超过半个世纪,自1942年发现ABO3型钙钛矿结构BaTiO3陶瓷的铁电性以来,BaTiO3陶瓷与薄膜就以其优良的铁电、压电性能,高的介电常数,低介电损耗以及耐高压性能,在军事、原子能、航空航天、金属、石油化工、日常家电等各关系国计民生的领域有着广泛的应用[1]

目前,由于含铅的锆钛酸铅(PZT)基压电陶瓷和弛豫铁电电致伸缩体铌镁酸铅(PMN)具有优良的压电和电致伸缩性能,占据了大部分压电陶瓷市场。铅属于重金属,其性能十分稳定,极难降解。人体一旦将铅化合物吸入肺中,通过溶解作用进入血液中,最终沉积并附着在骨骼组织上。当体内铅的积累量达到一定值就会引起铅中毒现象,最终严重破坏神经系统和消化系统等。对环境同样会造成不可逆的破坏[2]。目前各国己经逐渐立法禁止含铅压电陶瓷的应用,因此寻找替代品是一项迫切的任务,其中钛酸钡陶瓷是较为引人注目的一类[3]

此外,由于电子陶瓷材料在微电子工业上的广泛应用,要求陶瓷电容器的尺寸小、容量大,以此要求陶瓷介质层的厚度很小,陶瓷晶粒降到亚微米级、甚至纳米级。但是在实际研究中发现,随着晶粒的减小,钛酸钡陶瓷的结构和性能会发生一系列的变化体现出明显的尺寸效应。因此,纳米晶钛酸钡薄膜的研究也显得尤为重要[4]

目前BaTiO3薄膜的制备方法主要涉及到溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法、磁控溅射法以及新型的微弧氧化法等,BaTiO3薄膜所沉积的基片主要有氧化物陶瓷基片(如SrTiO3、LaAlO3、MgO等),有贵金属层的硅片(如Si/Pt、Si/Au等)上。

宋建静等通过溶胶-凝胶法,在氧化铝基片上制备了BaTiO3薄膜,并进行多次重复拉膜、热处理后,在850℃、950℃和1050℃下进行高温晶化。制备的BaTiO3薄膜具有结晶状态良好的BTO四方相[5]

申玉双等采用溶胶-凝胶法,在单晶硅基片上用甩膜法制备出均匀致密的BaTiO3薄膜。在700℃退火处理后的薄膜,晶粒大小在50-70nm,薄膜比较致密均匀[6]

魏贤华等用脉冲激光沉积方法,在硅基片上沉积氧化镁(MgO)缓冲层,然后制备BaTiO3薄膜。实验结果显示,在有氧化镁缓冲层的硅基片上制备出(00l)取向生长的BaTiO3铁电薄膜,具有较大的面外极化[7]

褚慧芳等采用磁控溅射的方法,在硅基片上制备一层钛酸锶(SrTiO3)缓冲层,并依次溅射底钌酸锶(SrRuO3)电极和BaTiO3薄膜,BaTiO3薄膜的制备温度为630℃,退火温度为680℃。制备的BaTiO3薄膜有明显的(002)择优取向,且有明显的电致电阻效应[8]

王敏等采用了一种新技术,微弧氧化方法,用微弧氧化直流电源,在钛板上制备出BaTiO3薄膜,在1kHz下,薄膜的介电常数为113,并且随着溶液浓度的增加,薄膜的粗糙度变小,表面变得更加平整。此制备过程中电解液温度在60℃左右。

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