臺灣博碩士論文加值系統

本論文是以有機金屬裂解法（Metallo-organic Decomposition， MOD）作為鍍製鐵電薄膜的中心技術，並且添加以溶膠凝膠法所製備而成的奈米微粉以及高分子聚合物PVP(polyvinylpyrrdidone)來幫助厚膜的成長。
首先探討奈米微粉對於鋯鈦酸鉛（PZT）薄膜的影響，將熱處理
過已有PZT晶相的微粉加入系統中，可以在微粉的四周開始促進產生PZT之鈣鈦礦結構，而使得性質更好。添加以350℃~450℃溫度燒結所得的PZT微粉可以得到最好殘留極化強度值（Pr）= 25.8μC/cm2及良好的矯頑電場值（Ec）= 28.5KV/cm。
另一方面添加PVP有助於單層厚度的提升，且有助於降低crack的產生。不過電性比起未添加PVP之相同濃度PZT薄膜性質(未添加PVP及微粉所測得的最好電性值Pr= 14.1μC/cm2，Ec= 43.5KV/cm)都來的差，最好殘留極化強度值（Pr）= 7.1μC/cm2及矯頑電場值（Ec）= 10.3KV/cm。
添加PVP有助於厚膜的形成，若再添加奈米微粉，將會使得厚膜的性質更好。所以本研究探討添加相同濃度而不同比例的微粉以及PVP，發現可量測到最好的殘留極化強度值（Pr）= 20.6μC/cm2及矯頑電場值（Ec）= 3.6KV/cm，且厚度高達一層1.5μm。藉由厚度的大幅度提升將有助於PZT厚膜未來在各式元件製作的應用與發展。

目錄 i
圖目錄 iv
表目錄 vii
第一章 緒論 1
第二章 文獻回顧 3
2.1 鐵電性 4
2.2 PZT鐵電材料 6
2.2.1 鈣鈦礦結構 6
2.2.2 鋯鈦酸鉛（PZT）之相圖 7
2.2.3 變形相界（MPB） 9
2.2.4 遲滯曲線 10
2.3 鐵電薄膜在微機電系統上的應用 11
2.3.1 微機電系統（MEMS）簡介 11
2.3.2 記憶體元件 12
2.3.3 壓電致動元件 14
2.3.4 感測元件 15
2.3.5 積體光學元件 17
2.4 鐵電薄膜與厚膜之發展及製作 11
2.4.1 鐵電薄膜製作方法 19
2.4.2 微粉體的製作及發展 23
2.4.3 有機金屬鹽裂解法 25
2.4.4 溶膠-凝膠法 28
2.4 PVP的影響 34
第三章 實驗方法 38
3.1 薄厚膜的製作 38
3.1.1 鍍膜基材準備 38
3.1.2 基板之清洗 38
3.1.3 有機金屬羧酸鹽前驅物之合成 39
3.1.4 微粉之合成 44
3.1.5 記量比溶液之調配 47
3.1.6 薄膜的披覆 48
3.2 薄膜電性量測 49
3.2.1 上電極製作 49
3.2.2 極化強度-電場(P-E)的量測 51
3.2.3 電流-電壓(I-V)的量測 51
3.3 特性量測 52
3.3.1 熱重量分析 51
3.3.2 粒徑分析 52
3.3.3 薄膜厚度量測 52
3.3.4 X光繞射分析儀（XRD） 53
3.3.5 掃描式電子顯微鏡（SEM） 54
第四章 結果與討論 55
4.1 奈米微粉對鐵電薄膜之影響 55
4.1.1 實驗設計及目的 55
4.1.2 鍍膜溶液之特性分析 58
4.1.3 薄膜之特性分析 65
4.2 添加PVP對電性及厚度的影響 74
4.2.1 實驗設計及目的 74
4.2.2 鍍膜溶液之配製 76
4.2.3 薄膜之特性分析 76
4.3 添加PVP及PZT奈米微粉對電性及厚度的影響 85
4.3.1 實驗設計及目的 85
4.3.2 鍍膜溶液之配製 86
4.3.3 薄膜之特性分析 87
第五章 結論 94
參考文獻 95
圖 2 1 鐵電域極化情形 5
圖 2-2 Sawyer-Tower 電路圖 6
圖 2-3 鈣鈦礦（perovskite）結構 7
圖 2-4 PbZrO3-PbTiO3雙相互溶體系統 8
圖 2-5 MPB成分材料性質表現 9
圖 2-6 鐵電材料極化值（P）與外加電場（E）之關係圖 10
圖 2-7 FRAM元件橫截面圖 13
圖 2-8 壓電致動元件 14
圖 2-9 焦電塊材紅外線感測元件結構圖 16
圖 2-10 焦電薄膜紅外線感測元件結構圖 16
圖 2-11 新型的紅外線感測器結構圖 16
圖 2-12 光電導記憶元件 18
圖 2-13 鍍製一層添加PVP之BaTiO3厚膜之側面SEM圖 34
圖 2-14 鍍製一層添加PVP之BaTiO3厚膜之表面SEM圖 35
圖 2-15 PVP之影響 36
圖 2-16 PVP結構式 36
圖 2-17 在室溫下起始溶液經不同時間對黏度的關係圖 37
圖 3-1 含鉛之有機金屬羧酸鹽前驅物之合成方法 40
圖 3-2 含鋯之有機金屬羧酸鹽前驅物之合成方法 42
圖 3-3 含鈦之有機金屬羧酸鹽前驅物之合成方法 43
圖 3-4 超音波噴霧器 44
圖 3-5 以溶膠-凝膠法製備PZT微粉 45
圖 3-6 有機金屬羧酸鹽前驅物之TGA圖 48
圖 3-7 黃光剝離（Lift-off）製程 50
圖 3-8 改良式Sawyer-Tower電路圖 51
圖 4-1 以微粉-有機金屬鹽裂解法製備 PZT 厚膜流程 56
圖 4-2 已有些微晶相PZT微粉均勻分散在溶液中之示意圖 57
圖 4-3 PZT有機金屬羧酸鹽前驅物之重量分析圖 60
圖 4-4 奈米微粉之重量分析圖 61
圖 4-5 奈米微粉之粒徑分析圖 63
圖 4-6 以不同溫度預先熱處理過奈米微粉之粒徑分析圖 64
圖 4-7 以不同溫度預先熱處理過奈米微粉之粒徑比較圖 64
圖 4-8 以不同溫度預先熱處理過奈米微粉之結晶繞射圖 66
圖 4-9 添加以不同溫度熱處理過奈米微粉之PZT表面SEM圖 67
圖 4-10 添加熱處理過奈米微粉之PZT表面AFM圖(3層) 68
圖 4-11 不同層數S1薄膜之P-E曲線圖 70
圖 4-12 不同層數S1薄膜之I-V曲線圖 70
圖 4-13 不同層數S2薄膜之P-E曲線圖 71
圖 4-14 不同層數S2薄膜之P-E曲線圖 71
圖 4-15 添加以不同溫度熱處理微粉MOD之P-E曲線圖 72
圖 4-16 添加以不同溫度熱處理微粉MOD之I-V曲線圖 73
圖 4-17 添加以不同溫度熱處理微粉MOD之電性比較圖 74
圖 4-18 鍍製一層添加PVP之PZT厚膜之側面SEM圖 75
圖 4-19 經不同退火溫度之結晶繞射圖 78
圖 4-20 400℃碳裂解20min1H之核磁共振光譜圖 79
圖 4-21 400℃碳裂解20min1H之核磁共振光譜圖(放大圖) 80
圖 4-22 450℃碳裂解20min1H之核磁共振光譜圖 80
圖 4-23 添加PVP之0.45M PZT表面SEM圖 81
圖 4-24 不同濃度添加PVP之PZT膜其側面SEM圖(兩層) 82
圖 4-25 不同濃度添加PVP之PZT厚度比較圖(單層) 83
圖 4-26 不同濃度添加PVP之P-E圖 84
圖 4-27 不同濃度添加PVP之I-V圖 84
圖 4-28 不同濃度添加PVP之電性比較圖 85
圖 4-29 不同濃度添加微粉及PVP之粒徑分析 87
圖 4-30 不同濃度添加微粉及PVP之表面SEM圖 89
圖 4-31 不同濃度添加微粉及PVP之側面SEM圖 90
圖 4-32 不同濃度添加微粉及PVP之結晶繞射圖 91
圖 4-33 不同濃度添加微粉及PVP之P-E圖 92
圖 4-34 不同濃度添加微粉及PVP之I-V圖 92
表4-1 PZT有機金屬羧酸鹽前驅物之金屬成份含量表 60
表4-2 添加不同含量微粉之MOD溶液代號表 62
表4-3 添加以不同溫度熱處理過奈米微粉之MOD溶液代號表 62
表4-4 以添加微粉MOD溶液鍍製薄膜之固定製程條件表 65
表4-5 不同層數添加不同含量微粉之電性比較表 69
表4-6 添加0.1g PVP不同濃度之MOD溶液代號表 76
表4-7 以添加PVP之MOD溶液鍍製薄膜之固定製程條件表 76
表4-8 改變微粉添加比例之相同濃度MOD溶液代號表 86
表4-9 添加PVP及微粉之MOD溶液鍍製薄膜之固定製程條件表 87
表4-10 不同濃度添加微粉及PVP之電性比較表 93

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