不同厚度PZT薄膜的制备及电性能特性研究*

宋瑞佳，郑俊华，谭秋林*

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

不同厚度PZT薄膜的制备及电性能特性研究*

宋瑞佳1，2，郑俊华1，2，谭秋林1，2*

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

采用sol-ge（l溶胶-凝胶）法在Pt/Ti/SiO2/Si基底上分别制备了厚度为400 nm、600 nm、800 nm的PZT（锆钛酸铅，Zr/Ti= 52/48）薄膜，研究了厚度对薄膜介电性能与铁电性能的影响。通过对薄膜的铁电性能与介电性能进行测试，分析了不同厚度薄膜的剩余极化强度、介电常数与介电损耗，进一步分析了薄膜的介电调谐性能。实验结果表明，薄膜的介电常数与介电损耗随薄膜厚度的增大而增加；厚度为600 nm的薄膜具有最好的介电调谐性能与铁电性能。

铁电薄膜；PZT薄膜；溶胶-凝胶；介电性；铁电性

铅基薄膜如PT、PCT、PLT和PZT等，由于具有优良的介电、铁电及热释电性能，成为当前国际上备受关注的功能材料，被广泛应用于制备热成像器件、热释电红外传感器、MEMS器件和铁电随机存储器等［1-4］。PZT薄膜器件具有响应快，探测信号快，结构紧凑，机械强度好［5］，可提高波长范围等特点，为器件的集成化和微型化创造条件［6］。

目前，PZT薄膜材料的制备和应用研究已成为铁电学研究的热点之一［7-8］。近年来人们通过各种工艺在不同基底上获得了晶粒高度取向的PZT薄膜［9-10］。虽然近年来对PZT薄膜陆续进行研究，但对成膜条件及影响成膜的原因尚无较全面的研究，获得稳定、均匀、性能良好的PZT薄膜还有困难。

本文采用sol-gel法在Pt/Ti/SiO2/Si基底上制备了不同厚度的PZT薄膜。进一步比较了不同厚度薄膜的介电性能与铁电性。

1　实验

1.1PZT薄膜的制备

我们选用醋酸铅、异丙醇锆、正丙醇钛为制备前驱液的原料。采用乙二醇甲醚为溶剂，在螯合剂乙酰丙酮和乙二醇的作用下，通过控制适当的添加顺序和温度环境，使原料完成相应的化学反应，制备出PZT溶胶。

使用KW-4A型匀胶机将制备好的PZT前驱液涂在Pt/Ti/SiO2/Si基底上（转速为3 800 r，时间为35 s），在400℃的平板加热板上加热10min，重复以上步骤直至达到所需厚度。最后在600℃下退火20 min。

实验时，溶胶的浓度对成膜的影响很大，浓度过高则不利于甩胶，薄膜厚度不均匀；浓度过低则重复性大，不利于薄膜的制备。因此，根据多次实验经验，选择配置0.3 mol/L的PZT胶体溶液。

1.2薄膜的测试

为了对薄膜的介电性能与铁电性能进行研究，采用光刻、溅射、剥离等工艺在薄膜表面形成一层直径为1 mm的Au电极，使薄膜形成了Au/PZT/Pt/ Ti/SiO2/Si电容结构。

采用Angilent4284A阻抗分析仪测试了室温下不同厚度薄膜的介电性能。选用美国RADIANT公司的WS-2000铁电性能测试设备测试了薄膜的铁电性。

2　结果与讨论

2.1不同厚度薄膜的介电性能

PZT薄膜材料是一类极性电介质材料，其介电常数具有数值大，频率依赖性大，非线性强等特点。因此，介电常数是基于PZT薄膜器件设计的重要参数。而介质损耗是表征电介质性能的另一个指标。本文研究的PZT薄膜处于准同型相附近，其结构属于三方-四方相的过渡情况。

图1所示为在测试电压为10 V时，不同厚度的PZT薄膜的介电常数（ε）与介电损耗（Tan δ）随频率（f）的变化曲线。

图1　

从图1（a）可看出，低频范围内介电常数下降较为明显，高频范围内相对平缓，介电常数随薄膜厚度的增加而增大。这是由于电极和薄膜间形成的空间电荷的极化作用。频率增加到一定阶段时，电荷的极化作用加强了介电常数的上升。由图1（b）可以看出薄膜的介电损耗均随着频率的增加而增大。这是由于薄膜的介电损耗主要是来自极化弛豫，随着频率的增加，极化弛豫明显，单位时间内弛豫次数增多，导致了介电损耗的增加。

2.2不同厚度薄膜的C-V特性

在PZT薄膜材料的应用上，介电常数越大越好。在可调谐波器件的应用上，介电调谐率越大越好。我们通过介电调谐率（Tunability=（Cmax-Cmin）/Cmax）与最大正切损耗（Tanδmax）的比值（即FOM值）来计算介电常数与外加直流偏压的关系。FOM值是对薄膜的整体介电性能的描述。

图2所示为测试频率为100 kHz时，PZT薄膜的C-V特性曲线，直流偏压扫描从+10 V到-10 V，再到+10 V。我们可以计算出，不同厚度的薄膜的介电调谐率分别为71.3%，62.57%，52.54%。由FOM值的定义，可以计算出3种厚度薄膜的FOM值分别为13.499、15.668、14.39。通过对计算结果进行比较，表明厚度为600 nm的薄膜具有最好的介电调谐性能。

图2　不同厚度的薄膜的C-V曲线

2.3不同厚度薄膜的铁电性能

电滞回线也称作P-E曲线，为极化强度随外电场的滞后关系，是表征薄膜电性能的重要参数。通过对P-E曲线的测量可以获得PZT薄膜的剩余极化强度和矫顽电场。如图3所示为不同厚度薄膜的电滞回线，其中驱动电压为10 V。曲线在Y轴负方向上没有闭合，原因是由于不对称电极材料引起的氧空位等带电缺陷在薄膜材料体内引起了内电场，从而导致PZT薄膜中不可翻转极化。

由图3可知，不同厚度的薄膜都表现出了良好的铁电性。但薄膜厚度在600 nm时，P-E曲线的矩形对称度最好，此时具有最大的剩余极化强度25 μC/cm-1。

图3　不同厚度薄膜的电滞回线

3　结论

通过sol-gel法制备了不同厚度的3种薄膜，并分别对不同厚度薄膜的介电性能与铁电性能进行研究。通过对介电常数与介电损耗及C-V曲线与PE曲线的测量与分析。得出如下结论：（1）薄膜的厚度为600 nm时，薄膜的电滞回线矩形对称度最好，表现出明显的铁电性，并且具有最大的剩余极化强度25 μC/cm2。（2）薄膜的介电常数与介电损耗均随薄膜厚度的增加而增加。对于同一厚度的薄膜，在低频范围由于电极与薄膜间形成的空间电荷所产生的极化作用使得介电常数的下降速度非常快，当频率达到300 Hz以上时，由于电荷的极化作用加强了介电常数的上升，但上升速度非常缓慢。介电损耗的增加则由于极化驰豫现象越来越明显而引起的。（3）通过对FOM值的计算，得出薄膜厚度为600 nm时，薄膜表现出最好的介电调谐性能。

［1］Prabu M，Shameem Banu I B，Gobalakrishnan S，et al.Electrical and Ferroelectric Properties of Undoped and La-Doped PZT（52/ 48）Electroceramics Synthesized by Sol-Gel Method［J］.Journal of Alloys and Compounds，2013，551：200-207.

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［7］Oishi K，Yonemaru S，Akai D，et al.Transient Heat Transfer Analysis of Pb（Zr，Ti）O3 Thin Film Infrared Sensor Using Finite Element Model［C］//THE IRAGO CONFERENCE 2014.AIP Publishing，2015，1649：47-51.

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宋瑞佳（1989-），女，汉族，吉林省通化市，现为中北大学在读硕士研究生，研究方向为无线无源压力传感器，srj915@ 163.com；

郑俊华（1987-），女，汉族，山西省忻州人，现为中北大学在读硕士研究生，研究方向为多层组合纳米膜红外探测器及其气体检测技术，1194012665@qq. com；

谭秋林（1979-），男，湖南衡南人，博士，教授。研究方向为光学气体传感器及检测技术、无线无源微纳传感器及微系统集成技术、无线传感器网络及射频技术、数据采集及存储技术。

Research on the Preparation and Electrical Properties with Different Thickness of the PZT Thin Films*

SONG Ruijia1，2，ZHENG Junhua1，2，TAN Qiulin1，2*
（1.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，North University of China，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

PZT（Lead Zirconate Titanate，Zr/Ti=52/48）thin films with a thickness of 400 nm，600 nm and 800 nm were prepared by sol-gel method on Pt/Ti/SiO2/Si substrates，the electrical properties and ferroelectric properties of the PZT thin films with different thickness was researched.We tested the dielectric properties and ferroelectric properties and analyzed the remnant polarization，dielectric constant and dielectric loss of the PZT thin films with different thickness andfurther analyzed the dielectric tunable properties of thin films.The experimental results showed that the dielectric constant and dielectric loss increase with the increase of film thickness，and the thickness of 600 nm film has the best dielectric tunable properties of ferroelectric properties.

ferroelectric thin films；PZT thin films；sol-gel；dielectric properties；ferroelectric properties

TF123；TM282

A

1005-9490（2016）05-1034-03

项目来源：基于黑硅吸收层的多层组合纳米膜红外探测器及其气体检测技术项目（51205373）

2015-11-05修改日期：2015-11-25

EEACC:052010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.003