铌酸盐无铅压电薄膜的脉冲激光沉积制备研究(3)

　96压　电　与　声　光2009年　

为或强或弱钙钛矿结构。由上述研究结果可以看出,薄膜在淀积时,衬底温度为550℃还是较低;薄膜在淀积后,还需在650℃左右进行退火处理,这样沉积的薄膜才具有真正的钙钛矿结构

。

粒有足够的能量到达并沉积在薄膜表面。由图5(c)、(d)可看出,当氧气压力增大为10Pa时,薄膜表面上的熔融小颗粒明显减少,薄膜也较均匀和致密,但薄膜上却出现了少量的贯穿孔洞,这个缺陷限

(f)表明,当氧气压制了薄膜的使用性能。图5(e)、

力增大为30Pa时,薄膜也较均匀和致密,薄膜表面上的熔融小颗粒和贯穿孔洞基本上消失,但薄膜表面上出现枝晶状结构。这说明随着氧气压力的增大,被沉积原子的扩散速率逐渐减小,薄膜的生长逐渐向以晶核为中心的三维生长模式过渡。因此,薄膜表面形貌逐渐以颗粒状晶粒为主要特征[17]

。

图4　不同氧气压力沉积Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775

Ta0.225)O3薄膜经650℃退火后的XRD图

氧气压力是制备Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3薄膜的另一个重要工艺参数。由图3、4可见,在沉积薄膜过程中,氧气压力越大,薄膜的钙钛矿相越强;低氧气压力下,相变弱,K2Nb8和K2Nb4致Li、Na[16],从而很难形成具有钙钛矿结构的Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3薄膜,而是形成了K2Nb8O21相和K2Nb4O11相。关于“氧气压力是制备薄膜的另一个

图5　不同氧气压力下沉积

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

重要工艺参数”可以理解为:压强不同的氧气通过与等离子体羽辉发生碰撞改变了烧蚀物粒子的浓度,从而将影响制备薄膜的组分。当然,氧气压力也并非越高越好,因为氧气压力同时也影响着薄膜的致密度和形貌。

2.2　薄膜的表面形貌(SEM)分析

研究发现,保持适度的氧气压力对沉积产物质

量的影响至关重要,较高的氧气压力有助于减少薄膜表面的熔融小颗粒。当薄膜中含有挥发性组分时,较高的氧气压力有助于使该组分原子能充分地进入薄膜,防止其挥发。通过反复实验研究发现,利用PLD技术在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3薄膜的最佳氧气压力在30Pa左右,最佳退火温度为650℃左右。

环境气体压力是制备Li0.04(Na0.5K0.5)0.96

(Nb0.775Ta0.225)O3薄膜的另一个重要工艺参数。本文利用PLD沉积的薄膜为氧化物薄膜,反应室气氛中只通入了氧气。压强不同的氧气通过与等离子体羽辉发生碰撞改变烧蚀物粒子的能量及浓度,影响制备薄膜的组分和晶粒质量。因此,氧气压力不仅会影响薄膜的晶体结构,同时还会影响薄膜的形貌。图5为衬底温度550℃、氧气压力不同时,分别在Pt/Ti/SiO2/Si基片上沉积Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3薄膜的SEM图。由图5(a)、(b)可看出,薄膜均匀且致密,但薄膜表面存在大量的熔融小颗粒(或称靶材碎片)。这说明氧气压力越低,被沉积原子在基片表面的扩散速率越大,原子在表面扩散的平均自由程越长,薄膜的生长以平面内的横向长大为主要特征,有利于生成平板状晶粒;但因氧气压力低,薄膜PLD制备过程中喷溅出来的熔融小颗粒的能量及浓度也较高,导致大量的熔融小颗

3　结束语

利用PLD技术在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备的Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3无铅压电陶瓷薄膜,分别利用XRD和SEM研究了该薄膜的晶体结构及表面形貌,分析研究了制备技术和工艺对薄膜晶体结构及表面形貌的影响。研究结果表明:薄膜的热处理温度和氧气压力对所生长的薄膜影响较大;制备Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3薄膜的最佳退火温度和氧气压力分别为650℃和30Pa;利用PLD的Li0.04(Na0.5K0.5)0.96(Nb0.775Ta0.225)O3无铅压电陶瓷薄膜具有精细的表面结

构。通过本文的研究,基本寻找出了利用PLD手段制备碱金属铌酸盐无铅压电薄膜的方法和技术。参考文献:

[1]

张福学,王丽坤.现代压电学(下册)[M].北京:科学出版社,2002.

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