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研究生:張桑華
論文名稱:鋯鈦酸鉛PZT(40/60)薄膜摻雜Ni離子鐵電性質之研究
指導教授:甘炯耀
指導教授(外文):Jon-Yiew Gan
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:材料科學工程學系
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:100
中文關鍵詞:鋯鈦酸鉛薄膜摻雜40/60疲勞鐵電
外文關鍵詞:PZT40/60dopingNifatigueferroelectricthin film
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PZT薄膜的研究廣泛,其容易疲勞是大家一直以來最想解決的問題之一。有人用氧化物電極,如鎳酸鑭(LaNiO3 ; LNO)、鑭鍶鈷氧化物…等,有人則是直接參雜其他少量元素,如La、Nd、Fe…等。
由已知的研究顯示,PZT以LNO為電極,可改善其疲勞性質,且La與Ni有擴散進入PZT裡的現象。所以本論文利用溶凝膠法鍍製PZT及摻雜不同濃度Ni與La,來做各種特性的分析。
本實驗主要可分成兩個部份來討論,第一部份為添加不同濃度Ni的PZT(PNZT),分為pure、1、3、5、9% Ni之PZT與異質夾層(PNZT/PZT/PNZT;PZT/PNZT/PZT),為上下、中間9% Ni的結構。第二部份為添加1% La離子與同時添加1% La、1% Ni離子的PZT(PLZT、PLNZT)。
完成元件後,做各項的分析與量測,包含晶相結構分析、表面形態與薄膜厚度觀測、P-E電滯曲線、介電常數與散逸因子、疲勞性質及漏電流(J-E)等的量測,在電性的量測方面,探針均點在兩個形狀面積相同的上電極,再對所得的值做進一步的處理。
在晶相結構分析上,500℃、600℃都有成相,600℃結晶性較好。純PZT具有(111)指向,添加Ni出現(100)指向,添加La維持(111)指向,且強度較純PZT高,同時添加1% La、1% Ni則以(100)為優選指向。
表面形態的觀測,添加Ni導致成核速率、數目增加。指向(111)時,晶粒較小;出現(100)指向,在高溫時晶粒較大。
P-E電滯曲線量測,摻雜Ni使電滯曲線變的細小,飽和極化量Ps、殘存極化量Pr、矯頑場Ec均變小,5% Ni約是飽和值。與指向關係,指向(111),殘存極化量Pr較高。
介電常數與散逸因子量測,摻雜Ni或La對介電常數與散逸因子影響不大,本實驗中的介電常數均約850左右,散逸因子均在0.03以下。
疲勞性質量測︰(1)PZT摻雜Ni可改善疲勞性質,隨著添加量增加,改善越明顯。(2)異質夾層,不論上下或中間9% Ni的結構,對疲勞也均有改善。(3)不論勻質添加Ni或異質夾層,疲勞量測後,矯頑場Ec都會變大。(4)添加1% La對疲勞性質無明顯改善。(5)同時添加1% La與1% Ni,疲勞性質與添加1% Ni相近。
漏電流(J-E)量測,「摻雜Ni、La」與「同時添加La、Ni」以及「Ni異質夾層」都會增加導電性,使漏電流上升。

目 錄
第一章 緒論 6
1-1 前言 6
1-2 研究動機 8
第二章 文獻回顧 9
2-1 晶體結構與極化機制[18,19,20,21] 9
2-2 鋯鈦酸鉛(Pb(ZrxTi1-x)O3 , PZT)鐵電材料[18-21] 11
2-3 鐵電薄膜之製作 13
2-3-1 磁控濺鍍法(Magnetron Sputtering)[22-25] 13
2-3-2 雷射剝鍍法(Laser Ablation) 14
2-3-3 溶凝膠旋鍍法(Sol-Gel Spin-Coating) 15
2-3-4 金屬有機化學氣相沈積(Metal-Organic CVD) 15
2-3-5 有機金屬鹽裂解法(MOD) 15
2-3-6 霧化噴灑法 16
2-4 鐵電材料的電性分析 16
2-4-1 介電性質[26] 16
2-4-2 漏電流機制[27,28,29,30] 18
2-4-3 疲勞特性(Fatigue)[31-42] 20
第三章 實驗程序 23
3-1 下電極的準備 23
3-2 PZT薄膜的製作 25
3-2-1 溶凝膠(Sol-Gel)的製備 25
純PZT溶凝膠 25
摻雜Ni與La離子之PZT溶凝膠 27
3-2-2 薄膜鍍製與熱處理 31
薄膜鍍製 31
薄膜熱處理 31
3-3 上電極的鍍製 32
3-4 薄膜分析與量測 33
3-4-1 晶相結構 33
3-4-2表面形態與薄膜厚度 33
3-4-3 電性量測 33
P-E電滯曲線 33
介電常數與散逸因子 34
疲勞性質 34
漏電流(J-E) 35
第四章 結果與討論 36
4-1 晶相結構(XRD分析) 37
4-2 表面形態與薄膜厚度 39
4-3 電滯曲線(P-E curve) 41
4-4 介電常數與散逸因子 42
4-5 疲勞性質 43
疲勞機制探討 44
4-6 漏電流特性(J-E量測) 48
延遲時間(delay time)設定的影響 48
漏電流的比較 49
第五章 結論 50
參考文獻 51
圖 目 錄
圖2-1 電滯曲線(P-E 關係圖) 55
圖2-2 Sawyer Tower電路 55
圖2-3 鈣鈦礦 Perovskite結構 56
圖2-4 PbTiO3-PbZrO3相圖 56
圖2-5 PZT晶格常數對成分變化情形 57
圖2-6 PbTiO3-PbZrO3比例對機電耦合因子及介電常數影響圖 57
圖2-7絕緣體中四種極化機構 58
圖2-8 極化機構在頻率變化中對介電常數及散逸因子之影響圖 59
圖2-9實際電容器的I-V相圖 59
圖2-10 Barrier limited 傳導機構(a)Schottky emission (b)tunneling 60
圖2-11 Bulk limited 傳導機構(a)空間電荷限制傳導(b)陽離子傳(c)Poole-Frenkel 60
圖3-1 流程圖︰實驗主流程圖 61
圖3-2 流程圖︰製備PZT薄膜流程圖 62
圖3-3 元件示意圖 63
圖3-4 RT66A鐵電測試系統之量測元件等效電路圖 63
圖3-5 RT66A量測P-E電滯曲線所使用電壓波形圖 64
圖3-6 RT66A疲勞量測所使用脈衝模式(pulse mode)之脈波序列圖 64
圖4-1 XRD-未退火熱處理試片 65
圖4-2 XRD-不同濃度Ni離子之PZT,熱處理500℃-30min 66
圖4-3 XRD-不同濃度Ni離子之PZT,熱處理600℃-30min 67
圖4-4 不同濃度Ni離子與peak(111)相對強度關係圖,熱處理500℃-30min 68
圖4-5 不同濃度Ni離子與peak(111)相對強度關係圖,熱處理600℃-30min 68
圖4-6 XRD-異質夾層之PZT,熱處理600℃-30min 69
圖4-7 XRD-添加La、Ni離子之PZT,熱處理600℃-30min 70
圖4-8 SPM-plane 不同濃度 退火500℃-30分鐘 71
圖4-9 SPM-plane 不同濃度 退火600℃-30分鐘 72
圖4-10 SPM-plane 異質夾層 退火600℃-30分鐘 73
圖4-11-1 SPM-3D圖 不同濃度 退火500℃-30分鐘 74
圖4-11-2 SPM-3D圖 不同濃度 退火600℃-30分鐘 75
圖4-11-3 SPM-3D圖 異質夾層 退火600℃-30分鐘 76
圖4-12-1 SPM-plane 摻雜La比較圖 退火600℃-30分鐘 77
圖4-12-2 SPM-3D 摻雜La比較圖 退火600℃-30分鐘 78
圖4-12-3 SPM-plane 摻雜La比較圖 退火500℃-30分鐘 79
圖4-13 SEM 截面圖 80
圖4-14 不同濃度電滯曲線圖 81
圖4-15 pure、1、3、5、9%Ni試片電滯特性比較圖 82
圖4-16 pure、3、9%Ni與夾層 電滯特性比較圖 83
圖4-17 電滯曲線 摻雜La比較圖 退火600℃-30分鐘 84
圖4-18 Pr對電場 摻雜La比較圖 退火600℃-30分鐘 85
圖4-19 不同頻率下的介電常數與散逸因子 86
圖4-20 不同頻率下的介電常數與散逸因子-添加La、Ni離子PZT 87
圖4-21-1 純PZT疲勞性質 退火600℃-30分鐘 88
圖4-21-2 摻雜1% Ni疲勞性質 退火600℃-30分鐘 88
圖4-21-3 摻雜3% Ni疲勞性質 退火600℃-30分鐘 89
圖4-21-4 摻雜5% Ni疲勞性質 退火600℃-30分鐘 89
圖4-21-5 摻雜9% Ni疲勞性質 退火600℃-30分鐘 90
圖4-22 疲勞特性正規化 不同濃度比較圖 91
圖4-23-1 上下9% Ni疲勞性質 退火600℃-30分鐘 92
圖4-23-2 中間9% Ni疲勞性質 退火600℃-30分鐘 92
圖4-24 疲勞特性正規化 異質夾層比較圖 93
圖4-25-1 純PZT疲勞性質 退火600℃-30分鐘 94
圖4-25-2摻雜1% La疲勞性質 退火600℃-30分鐘 94
圖4-25-3 摻雜1% Ni疲勞性質 退火600℃-30分鐘 95
圖4-25-4 摻雜1%La與1%Ni疲勞性質 退火600℃-30分鐘 95
圖4-26 疲勞特性正規化 摻雜La比較圖 96
圖4-27 疲勞性質機制示意圖 97
圖4-28 漏電流(J-E)曲線圖 純PZT 98
圖4-29 漏電流(J-E)曲線 不同濃度與異質夾層比較圖 99
圖4-30 漏電流(J-E)曲線 摻雜La比較圖 100

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