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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳一銘
研究生(外文):Yi-Ming Chen
論文名稱:添加奈米微粉及PVP對有機金屬鹽溶液製備PZT鐵電厚膜之製程及性質研究
指導教授:戴念華戴念華引用關係林諭男林諭男引用關係
指導教授(外文):Nyan-Hwa TaiI-Nan Lin
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:奈米微粉PVP有機金屬裂解法有機金屬鹽溶液鋯鈦酸鉛厚膜製程
外文關鍵詞:pzt nano powderPVPMODPZTthick film
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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
1. C. Feldman, Rev. Sci, Instr., 26, 463 (1955)
2. C. Jeffrey Brinker and W. Scherer, “Sol-Gel Science” Academic Press, Inc. (1990) 2-18
3. Robert W. Vest,“Metallo-Organic Decomposition(MOD) Processing of Ferroelectric and Electrooptic Films:A Review”, Ferroelectrics, 102 (1990) 53-68
4. G.M. Vest and S. Singaram,“Synthesis of Metallo-Organic Compounds for MOD Powders and Films”, Mat. Res. Soc. Symp. Proc.,50 (1986) 35
5. 許樹恩,吳泰伯主編, X光繞射原理與材料結構分析, 中國材料科學學會出版, (1996)
6. A. J. Moulson and J. M. Herbert, “Electroceramics Materials Properties Applications”, Chapman&Hall, New York(1990)
7. Berdard Jaffe, William R. Cook and Hans Jaffe, “ Piezoelectric Ceramics”, Academic Press Inc., London, (1970)
8. William D. Callister, Jr., “Materials Science and Engineering”, John Wiley &Sons Inc., 3th, Canada (1994).
9. Yuhuan. Xu, Ferroelectric Material and Their Applications, Elsevier, Amsterdam, (1991) 101-162
10. C. A. Randall et. al., ”Classification and Consequences of Complex lead Perovskite Ferroelectrics with Regard to B-site Cation Order,” J. Mater. Res., 5 (1990) 829-834
11. 張所鋐, “微機電壓電薄膜製程與應用”, 機械月刊, 第292期(2000)
12. F. Jin, G. W. Auner, R. Naik, N. W. Schubring, J. V. Mantese, A. B. Catalan, nad A. L. Micheli, “Giant effective pyroelectric coefficients from graded ferroelectric devices”, Appl. Phys. Lett., 73 (1998) 2838
13. 林諭男,“強介電陶瓷薄膜的應用”,工業材料107 (1995) 49
14. J. F. Scott, C. A. P. de Araujo, L. D. McMillan, H. Yoshimori, H. Watanabe, T. Mihara, M. Azuma, T. Ueda, Tetsuk Ueda, D. Ueda, and G. Kano, “Ferroelectric Thin Films In Integrated Microelectronic Devices”, Ferroelectrics, 133 (1992) 47.
15. 洪永泰, “電泳披覆法製作積層PZT壓電致動器之電及表面絕緣層”, 逢甲大學碩士論文 (1997)
16. Norman W. Schubring, Joseph V. Mantese, Adolph L. Micheli, Antonio B. Catalan, and Richard J. Lopez, “Charge pumping and Pseudopyroelectric effect in active ferroelectric relaxor-type films”, Phys. Rev. Lett., 65 (1992) 1778
17. E. Roncari, and C. Galassi, “Tape casting of porous hydroxyapatite ceramics”, J. Mater. Sci. Lett., 19 (2000) 33-35
18. A. B. Hardy, G. Gowda, T. J. McMAHON, R.E. Neman, H. K. Bowen, in “Ultrastructure Processing of Advanced Ceramics”, edited by J. D. Mackenzie and D. L. Ulrich (Wiley, New York, 1987) 407-28
19. G. Yi, M. Sayer, “Sol-Gel Processing of Complex Oxide Films”, Ceram. Bull., 70 (1991) 1173-1179
20. John D. Mackenzie and Yuhuan Xu, “Ferroelectric Materials by the Sol-Gel Method”, J. Sol-Gel Sci. & Tech., 8 (1997) 673-679
21. T. Ogawa, A. Ando and K. Wakino, Ferroelectrics, 68 (1986) 249-256
22. G. A. C. M. Spierings, M. J. E. Ulenaers, G. L. M. Kampschoer, H. A. M. van Hal and P. K. Larsen, “Preparation and ferroelectric properties of PbZr0.53Ti0.47O3 thin films by spin coating and metalorganic decomposition”, J. Appl. Phys., 70 (1991) 2290
23. M. Ichiki, J. Akedo, A. Schroth, R. Maeda, and Y. Ishikawa, “X-Ray Diffraction and Scanning Electron Microscopy Observation of Lead Zirconate Titanate Thick Film Formed by Gas Deposition Method”, Jpn. J. Appl. Phys., 36 (1997) 5818-5819.
24. A. R. Raju and C. N. R. Rao, “Oriented ferroelectric thin films of PbTiO3, (Pb, La)TiO3 and Pb (Zr, Ti)O3 by nebulized spray pyrolysis”, Appl. Phys. Lett., 66 (1995) 896-898
25. T. Fukui, C. Sakurai, M. Okuyama,“Preparation of fine powders with perovskite structure from metal alkoxides”, J. Mat. Sci. 32 (1997) 189-196
26. Robert W. Vest,“Metallo-Organic Decomposition (MOD) Processing of Ferroelectric and Electrooptic Films:A Review”, Ferroelectrics, 102 (1990) 53-68
27. E. Roncari, and C. Galassi, “Tape casting of porous hydroxyapatite ceramics”, J. Mater. Sci. Lett., 19 (2000) 33-35.
28. R. P. Schaeffer, V. F. Janas, and A. Safari, “Engineering of Fine Structured 2-2 and 2-0-2 Piezoelectric Ceramics/Polymer Composities by Tape Casting”, IEEE. (1996) 557-560
29. Ogiwara, H. Kanako, N. Mizutani and M. kato, J. Mater. Sci. Lett. 7 (1988) 867
30. E. A. Barringer and H.K. Bowen. J.Am. Ceram. Soc. 65 (1982) 199
31. J-H. Jean and T.A. Ring, Am. Ceram. Bull. 65 (1986) 1574
32. G.M. Vest and S. Singaram,“Synthesis of Metallo-Organic Compounds for MOD Powders and Films”, Mat. Res. Soc. Symp. Proc.,50 (1986) 35
33. Jirgensons and Straumanis J.Am. Ceram. Soc. 35 (1962) 199
34. Barringer and C. J. Peng J.Am. Ceram. Soc. 37 (1963) 49
35. Hardy and M. Okuyama Ceram. Soc. 45 (1971) 214
36. Hirashima, E. Onishi and M. Nakagawa, J. Non-cryst. Solids 121 (1990) 404
37. H. Kozuka, M. Kajimura, T. Hirano and K. Katayama, "Crack-free, thick ceramic coating films via non-repetitive dip-coating using polyvinylpyrrolidone as stress-relaxing agent," J. Sol-Gel Sci. Techn., 19 (2000) 205
38. H. Kozuka and M. Kajimura, "Achievement of crack-free BaTiO3 films over 1 mm in thickness via non-repetitive dip-coating," Chem. Lett., (1999) 1029
39. H. Kozuka and M. Kajimura, "Single-step dip-coating of crack-free BaTiO3 films > 1 mm thick: Effect of poly(vinylpyrrolidone) on critical thickness," J. Am. Ceram. Soc., 83 (2000) 1056
40. H. Kozuka, M. Kajimura, K. Katayama, Y. Isota and T. Hirano, "Deposition of Crack-free BaTiO3 and Pb(Zr,Ti)O3 films over 1 mm thick via single-step dip-coating," Mat. Res. Symp. Proc., 606 (2000) 187
41. H. Kozuka, Y. Isota, A. Higuchi and T. Hamatani, "Cracks in gel-derived ceramic coatings and thick film formation," Proceedings of International Symposia on Materials Science for the 21th Century, The Society of Materials Science, Japan, Suita, Japan, May 21-22, vol. B (2001) 122-125
42. “聚合物化學”,蔡信行主編,陳進隆,葉德惠編著,文京圖書有限公司。
43. S.H.Kim, Y.S.Choi, and C.E Kim, “Preparation of Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 thin films on Pt/RuO2 double electrode by a new sol-gel route” , J.Mater.Res., 12 (1997) 1576-1581
44. “強介電薄膜之液相化學法製作”,陳三元,工業材料 108 期,p100
45. T. Fukui, C. Sakurai, M. Okuyama,“Preparation of fine powders with perovskite structure from metal alkoxides”, J. Mat. Sci. 32 (1997)189-196 C. Sanchez, J. Livage, M. Henry and F. Babonneau, J. Non-Cryst. Solids 100 (1988) 65.
46. H. Kozuka, K. Katayama, Y. Isota and S. Takenaka, "Achievement of crack-free ceramic coatings over 1 mm in thickness via single-step deposition," Ceramic Transactions, Volume 123, "Sol-Gel Commercialization and Applications," ed. by X. Feng, L.C. Klein, E.J.A. Pope, and S. Komarneni, The American Ceramic Society, Westerville, (2001) 105-110.
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