铌酸盐无铅压电薄膜的脉冲激光沉积制备研究(2)

　第1期陆　雷等:铌酸盐无铅压电薄膜的脉冲激光沉积制备研究95　

艺技术方面的原因。本文报道了利用PLD技术制备碱金属铌酸盐Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3无铅压电陶瓷薄膜的研究结果。

2　结果及讨论

2.1　薄膜的XRD分析

1　实验过程

以工业生产中使用的Li2CO3、Na2CO3、K2CO3、Nb2O5和Ta2O5为起始原料,按化学式Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3计算配比进

利用PLD在Pt/Ti/SiO2/Si基片上沉积Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3薄膜的过程中,工艺参数(包括衬底温度、氧气压力、激光频率、靶2基距离及退火温度)都可能在不同程度上影响薄膜生长。图3为衬底温度550℃、氧气压力分别为50Pa、30Pa和10Pa时,在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备的Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3薄膜的XRD谱图。由图可见,当氧气压力为50Pa时,

(110)、(200)、(210)和(211)衍射峰基薄膜的(100)、

本与靶材的钙钛矿结构衍射峰(1)一致,但也30Pa时,仍

)()211)衍射峰,但;10Pa时,(100)、(()210)和(211)衍射峰基本消失

,只表现出非晶相。

行称量。将原料混合物振磨4h,在860～900℃下,

预烧2h合成陶瓷粉体;将合成后的陶瓷粉体充分研磨及过筛后,加入适量的黏合剂,造粒得到流动性好的颗粒;在一定压力下干压成型,在1050～1150℃下烧结一定时间,得到致密的陶瓷片靶材。多晶靶材的X2射线衍射仪(XRD)图谱如图1所示。

由图可见,Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3陶瓷靶材为具有钙钛矿结构的多晶体

,图1　Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3多晶靶的

XRD图谱

研究中使用的PLD装置沉积系统如图2所示。采用德国LambdaPhysics公司的KrF脉冲准分子激光器(激光波长为248nm,频率范围为0～10Hz,最大脉冲能量为1.2J)作为光源,选用Pt/Ti/SiO2/Si基片,清洗后,迅速将Pt/Ti/SiO2/Si基片放入沉积室内,以防止氧化和各种污染;然后在550℃、不同氧气压力(3～50Pa)条件下,利用重复频率为10Hz、单脉冲能量为300mJ的激光脉冲轰击靶材约40min。在准分子激光对靶材的轰击过程中,使靶和基片均匀转动,并保持靶和基片的距离为5cm。利用XRD、扫描电镜(SEM)和台阶仪对上述条件下生长所得Pt/Ti/SiO2/Si基片上Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3

薄膜的晶体结构、表面形貌及薄膜厚度进行系统测量。

图3　基底温度550℃,不同氧气压力下沉积的

Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3薄膜的XRD图

图4为衬底温度550℃,氧气压力不同(50Pa、30Pa和10Pa)情况下,在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备的Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3薄膜经650℃退火处理后的XRD图。由图可见,经650℃

退火处理后,在各种氧气压力下沉积的Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3薄膜都进行了重新结晶,薄膜原来的非晶相消失。当氧气压力为50Pa时,

(110)、(200)、(210)和(211)衍射峰基薄膜的(100)、

本与靶材的钙钛矿结构衍射峰一致,且衍射峰很强,说明薄膜主要为钙钛矿结构,只有很弱的K2Nb8O21相出现;当氧气压力下降为30Pa时,仍出现(100)、(110)、(200)、(210)和(211)衍射峰,且衍射峰较强,说明此氧气压力下也可得到钙钛矿结构的Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3薄膜,但此条件下沉积的薄膜存在K2Nb8O21相,另外还出现了K2Nb4O11相;当氧气压力下降为10Pa时,薄膜的(100)、(110)、(200)、(210)和(211)衍射峰较弱,同时还存在K2Nb8O21相和K2Nb4O11相。经650℃退火处理后,各种氧气压力下沉积的Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3薄膜的非晶相都能转变

图2　脉冲激光沉积装置示意图