脉冲激光溅射沉积PZT膜

脉冲激光溅射沉积PZT膜 脉冲激光溅射沉积PZT膜 第l9卷第5期 1999年lO月 应用激光 APPuEDLASgR Vol'19.No.5 October1999 蝎2,8脉冲激光溅射沉积PZT膜 提要 关键调 锺志源 (中国科学院金属研究所忱阳1logts)(香港城市大学香港) 3oq-@5 利用脉冲激光醮射沉积PZT压电陶瓷薄膜.着重研究了制备过程对膜层成分和结构的控制. 压电陶瓷薄膜P碍限 PulsedLaserDepositionofPZTfilm FengZhongchao,ZhaoYan (InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110015) JonathanC.Y.Chung (CityUniversityofHongKong,HongKong) AbstractThispaperreportsaninvestigationonPZTfilmsbypulsedlaserdeposition.The controlofstoichiometryandstructureofPZTfilmsinthepreparationhasbeenresearchedem- phadcally. KeywordsPulsedlaserdeposition,Piezoelectricceramic,Film Pb(ZrTi一)O薄膜,又称PZT薄膜,具 有铁电,压电等多方面优异的特性,当x0.5 时有高的机电耦合系数和介电常数.可用于制 备许多新型功能器件.如热电探测器,压电振荡 器, 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面波器件,电脑存储器",也是微机电 系统结构组成的理想候选者. 人们尝试了多种方法制备PZT薄膜], 同这些薄膜制备技术相比,脉冲激光溅射沉积 (PLD)薄膜方法有许多优点;可获沉积膜与靶 有十分相近的化学计量比,便于成分调整,靶材 制备方便,可进行反应溅射,等离子体中快速离 子的含量可降低外延生长的温度等,适合制备 成分复杂.对结构要求严格的薄膜.虽然1990 年以来陆续进行着脉冲激光溅射沉积PZT薄 本研究由香港UGC,CERG资助 项目号:No.cityUIOI2/97E 一 262一 膜的研究].但对成膜条件及影响成膜的原 因尚无较全面的研究,获得均匀稳定的PZT膜 还有相当困难. 为了获得满足应用要求的高质量PzT薄 膜,膜层的成分和结构的控制是十分重要的.本 文针对此进行研究. 实验方法 实验在自制的脉冲激光溅射沉积装置上进 行.装置简图如图1.采用XeCI脉冲准分子激 光器,输出激光波长308nm,脉冲宽度36ns,单 脉冲能量200mJ.脉冲频率0,50Hz可调.沉 积室背底真空度l0Pa,多靶.靶和基片可转 动,激光束可周期性往复移动,基片可从室温加 热到700?.基片为单晶si和NiTi系形状记忆 合金.膜的成分和结构分别用RigakuD/MAX — RaX光衍射仪(XRD),CAMERAX—MI, 一 CRO电子探针(EPMA)分析. 图l激光溅射沉积设备简图 结果及讨论 1,膜层成分的控制 1.1靶材 试验了两类靶材,一类是金属靶材,在转动 靶平面上配置适当比捌的Pb,Ti,zr.井在靶与 基片问耦台射频活化装置(参见图1),通过 Pb,Ti,Zr溅射粒子飞达基片过程中在氧气氛 下氧化,得到膜层成分.第二类是粉末压制及烧 结的Pb(Zr:Ti.)O,靶.实验表明第二类靶 比第一类靶工艺条件容易掌握,稳定性和重复 性好.以下为对第二类靶材的讨论. 1.2激光功率密度 当激光功率密度w?1.2x10.w/cm时, 膜层成分和靶基本相同.当激光功率密度w< 1.2x10.W/cm时,膜层成分和靶成分有较大 的偏离,参见表1. 表l不同激光功率密度下靶材与膜层Pb,Ti,zr 相对古量原子百分比的比较 膜层 成分靶材激光功率密度(W/era:) l_S×10'1.2×loIo.9×10a 表中数值由EPMA铡定,为6点平均值.实鼍垒基片温 度650"0,沉积室压力2oPa. 这是由于只有当激光功率密度?闭值1.2 xl0.W/~m.时,才能使靶材表面迅速升至足 够的温度,瞬间形成同成分的熔化层并发生喷 射,保持喷射流与靶有极相近的成分. 1.3沉积室气压 PLD成膜过程中,在溅射粒子流到达基片 表面后,部分粒子吸附在基片表面发生扩散或 聚集成膜,部分粒子将逸出.Pb有较大的逸出 倾向,是制备膜层时不易保持与PzT靶材同成 分的重要原因,这也是制备PZT膜的技术难 点.图2是Pb相对含量与沉积室气体压力关 系的实验结果,Pb的含量随沉积室气体压力成 线性增长,这是由于沉积室气压增高时,气体分 子对逸出Pb的碰撞机率增加,Pb从基片上脱 附逸出减少. 图2Pb的相对含量与沉积室气体压力关系图 1.4沉积室气氛 在沉积PZT膜时,由于PZT为氧化物,故 反应室需充入O:,在已查阅到的PZT膜文献 中沉积室气氛都是O:.但欲不经后续处理得到 具有压电性能的钙钛矿型结构.基片需加热至 650Y3以上,如果沉积室O.气压过高,会引起 si或NiTi系基片表面氧化,得不到基片与膜 层预期界面,影响PZT与基片的良好结合.在 一 些试验装置中,还会引起加热基片的电阻丝 氧化烧断.因此氧压不能过高,试验表明,氧压 ~80Pa时就会出现上述情况.为了保持(80Pa 氧压同时提高沉积室压力,本实验中加入Ar. 图3为沉积室气体中加Ar和不加Ar对Pb含 量的影响实验结果.可以明显看出,加入Ar有 利于膜层中Pb含量保持在PZT膜要求的水 平.除了Ar的加入可保持合适氧含量条件下 较高的沉积室压力外f还因为Ar的分子量为 —— 263—— 39,O的分子量为32.在激光形成的羽辉区, 多数O:离化为O一,其质量为l6,因此逸出Pb 与Ar碰撞时会损失较与O一碰撞时更大的能 量,使Pb改变行进方向.更有利于防止Pb粒 子的逸出.从而得到PZT成分. 试验表明,当Ar与O的质量流量比为1 ;1时.有最佳的综合效果. 图3沉积室气氛对膜层中Pb相对古量的影响 (a)OIArlIl(b)0j 1.5基片温度的影响 当基片温度高而沉积室压力低时,沉积膜 为无铅的zrTiO.,这是由于Pb大量从基片脱 逸的结果. 1.6激光辐照点的变更 如果激光辐照点长期辐照靶上某一点,溅 射成分将很快变化,致使沉积膜不能保持靶材 成分本实验中激光束作周期性往复移动,同时 靶不停旋转.因而激光辐照点在靶平面上不断 变更.是保证沉积膜与靶成分扳为接近的前提 条件 2.膜层结构的控制 得到成分为Pb(TiXZrl—x)O.膜时,可 能有两种相结构,一种为钙钛矿型,一种为焦绿 石型,前者极化处理后可具有压电性能,后者不 能.欲得到钙钛矿型相结构,主要通过控制基材 温度和后续处理. 2,1基片温度对结构的影响 在适当的反应室压力条件下,当基片温度 <650~时,膜层为焦绿石结构.当基片温度> 650?时,膜层为钙钛矿结构,见图4,这是由于 650~3可完成焦绿石向钙钛矿结构的转变. 2.2后续处理对结构的影响 图5说明后续处理温度对沉积膜的影响. —— 264—— 图4不同基片温度沉积膜的XRD (a)基片温度550"0,沉积膜为焦绿石结掏 (b,基片温度为650C,沉积膜为钙钍矿结构 沉积室气压150Pa.Ar—O,=1一l 激光功率密度1.5×10aWlcm. 图5焦绿石结构的PZT在不同后续处理 温度下膜的XRD图 (a)600?I(b)650? 沉积室压力l50Pa.Ar}O:=ltl 激光功率密度1.5×10'W/cril. 当焦绿石结构的Pb(Zr:Ti....)O3膜经 60o?以下温度处理时,膜层结构不变. 当焦绿石结构的Pb(Zr0.51Ti?)O.膜经 650~3以上温度处理时,结构转化为具有压电性 (下转第268页) 变区由于残余珠光体及托氏体型珠光体的存在 导致该区的硬度显着下降.对于通常的摩擦副 零件,表面层稍低的硬度在低应力高周载荷条 件下有利于表面疲劳性能的改善. 00l02030{0506070Bn9 面霉离fmm) 材相邻的不完全相变区及表面完全相变区组 成.不完全相变区有残余珠光体存在,奥氏体冷 却转变产物是托氏体型珠光体.完全相变区为 马氏体组织,相变层由表及里的马氏体呈细化 趋势.提高能量密度可导致完全相变区马氏体 针片粗化. 3.降低能量密度使相变硬化层硬度提高, 几何尺寸减小.为获得较高的表面硬度井提高 生产率应选择大功率高扫描速度条件下的低能 量密度. 参考文献 图2台金铸铁光束相变硬化层的显微硬度分布曲线L1]Axkh[pov,eta1.Me~alScienceandheatTreat? merit.1991.20.51l 结论[2]单际圄 .中国表面工程.1999.12(1).22 1.对合金铸铁进行光束表面相变硬化处[3]单际圄?焊接?999,20(3) 理可获得深度0.2mm,宽度2mmPAl-,硬度近n]张文锻,《金属熔扞原理及工艺'?北 京?机械工业 9OOkg/mm的表面强化层.表面相变层尺寸和…~ … ,1980,.虬 , 硬度可通过调节光束能量得到有效控制."竺"" 2.台金铸铁光束相变硬化处理层由与基.J…………'…_'…… (上接第264页) 能的钙钛矿型.但需注意,当处理温度>700? 时会出现尸6.T如0,一般以650'C为宜. 结论 1.用波长308rim脉冲激光溅射沉积在 及?汀系形状记忆合金基材上可获得高质量 具有压电性能的钙钛矿型结构的PZT膜. 2.准确PzT膜层成分的获得主要靠合适 的激光功率密度.合适的沉积室气氛及压力,靶 和基材的转动来控制.沉积室气氛中加入Ar 是得到预期PZT膜层成分的有教方法,较高 的沉积室压力有利于抑制膜层Pb的逸出. 3.欲得到具有压电性能钙钛矿型结构的 PzT膜,需在沉积膜成分为Pb(Tr)0, 前提下,沉积过程中基材温度?650?或经? 650?后续处理. 一 268一 参考文献 [1]K.K~hldaaZ,^z.P^.Lett.1987?50.1800 [2]K.Sreemv~seta1.J.铆z.P^..1988.64.1484 C8]K.1i,~maeta1,J.^帅z.P^.1986,60?361 ]J.F.Scott,,.Ai,l,t.P^.1988.64.787 [s]M.Okac~etal,Jpn.J.铆.Phys.,1990,29.7l8 [6]L.E.Sanchesetal,A ppt 关于艾滋病ppt课件精益管理ppt下载地图下载ppt可编辑假如ppt教学课件下载triz基础知识ppt .Phys.Lett.199O,56, 2399 [7]L.H.Changetal?ThinSolidFilms,1997,303, 94 [8]s.Otusuboeta1,Jpn.J.^z.P^,.1990,29, L133 [9]o.Aucielloeta1.^Aop1.Phys.1993,73(IO), 8197 [1o]J.Lappslainenet,J.thekoreanPhysical Society?1998?32?1183 ?????0