Pb(Zr,Ti)O3薄膜的PLD生长研究+文献综述(8)
4.6.2 样本8、9、10的PE回线及分析
图10 在620℃、630℃、640℃下沉积得到的PZT薄膜的PE回线
图10显示了所得的PZT薄膜有漏电现象，可能是因为所得薄膜含钙钛矿相不多，故产生漏电。
5 数据分析
从上节的实验结果可以总结出，衬底温度对PZT成膜特性有很大的影响。另外，本实验没有得到期望的钙钛矿相。
5.1 衬底温度对PZT成膜特性的影响
脉冲激光沉积法制备PZT薄膜时，衬底温度主要是通过应力造成能量释放引起相变来影响薄膜的微观结构的。
脉冲激光沉积法制备薄膜的基本原理是功率密度高达9.0×104w/cm2的高功率脉冲激光辐照到靶上，使靶体材料表面迅速熔融和汽化，该熔融体是一粘性流体[16]，由于反冲冲量的作用，熔融体被反冲至衬底上[17]。通常情况下，在激光功率密度比较高但又不至于特别高(小于等离子体点火阈值108w/cm2以上[16])时，熔融体主要由靶材的气态和液态的混合体所组成。当这个混合体沉积在衬底上时，在适当的实验参数下将结晶形成PZT铁电薄膜，结晶的过程中将会发生相变。
图 11 PbZrO3-PbTiO3固溶体的晶格常数
根据PbZrO3-PbTiO3的相图[14]（图1）有：当T>Tc(x)时，混合体处于具有立方对称性的仲电态(paraelectric state)。这里Tc(x)称为居里(Curie)温度，它近似是PbTiO3的摩尔含量X的线性函数，在x=l时，Tc(x)=490℃；在x=0.47时，Tc(x)=375℃。图11 为PbZrO3-PbTiO3固溶体的晶格常数，由晶格常数可知，当熔融体逐渐冷却到T< Tc(x)时，在x<0.47时则相变为三角晶系体(Rhombohedral Phase Region，FR)，当x>0.47时，相变为四方晶系体(Tetragonal Phase Region，FT)。
另一方面，当衬底温度，即衬底温度Ts> Tc(x)时，在熔融体沉积到衬底上以后，衬底温度从Ts冷却至室温T0的过程中，将会出现以下四种应力[18]：外延应力σep (Epitaxial Stress)，本征应力σln (Intrinsic Stress)，热应力σth (Thermal Stress)和相变应力σtr (Transition Stress)。外延应力是薄膜的晶格常数与衬底的晶格常数不匹配所造成的，本征应力是由于熔融体中的具有动能的电中性粒子对已沉积的膜层的碰撞所引起的，热应力是由于温度的变化所引起的，相变应力是由于熔融体在相变前是立方体系结构，具有单一的晶格常数a0，而在逐渐冷却至Tc时，薄膜将会相变成晶格常数为a(称为a畴)和晶格常数为c（称为c畴）两部分，即相变应力是由a和c与a0的失配引起的。
这四种应力都对PZT压电薄膜形成过程中的自由能变化有贡献，
Ftotal=Fep+Fin+Fth+Ftr+Fsub
这里的Fep、Fin、Fth、Ftr分别是外延应力σep、本征应力σln、热应力σth和相变应力σtr对自由能的贡献，Fsub是衬底的应变能对自由能的贡献。因此，PZT压电薄膜形成的过程也就是使Ftotal取极小值的过程。如果制备的薄膜中c畴所占的比例α越高，则极化强度越高，薄膜的质量越高[19]。由以上分析看出，α由Ftotal所决定，与衬底温度，即衬底温度Ts密切相关，Ts越高α越大；Ts过低时，PZT薄膜可能无法结晶。在本实验中，当衬底温度低于450℃时，沉积制备的PZT薄膜为非晶态。
5.2 没有生成钙钛矿相的原因
本实验不管是在低温还是高温下沉积都没有得到期望的钙钛矿相，可能是由于PbO的不足，第一，可能PZT陶瓷衬底中的PbO不够；第二，由于PbO的熔点较低，可能在沉积和退火的过程中大量挥发使制备的PZT薄膜中PbO的含量过低。当样品中PbO的含量不足或Zr，Ti含量比较高时，形成的样品中将出现ZrO2 和PbTi3O7和烧绿石相，不利于钙钛矿相的生成。
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