铅基铁电薄膜材料在热、电载荷作用下的疲劳特性

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铁电材料由于具有铁电特性和压电特性而在信息储存、通信、导航、精密测量、机械等众多领域得到广泛的应用。随着微电子技术和器件高度集成化的发展,人们对薄膜材料性能的要求越来越高,因此铁电薄膜材料的制备和性能研究成为目前国际上高度关注的研究课题。然而铁电薄膜在使用过程中存在疲劳问题,它会不可避免地受外界环境以及自身工作条件的影响,即经历外界温度的循环和存储过程中不断的极化反转后其性能将发生变化。本文对铁电薄膜在循环的热载荷和电载荷作用下的疲劳特性进行了研究,分别用Nd:YAG脉冲激光器模拟热载荷、用RT6000S铁电测试仪模拟电载荷作用于铁电薄膜,根据实验结果探讨了这两种载荷对铁电薄膜性能的影响。本文首先介绍了铁电薄膜材料的应用前景、优良性能、制备方法和研究现状,由此提出了本文的选题依据。然后采用金属有机物热分解法制备出作为研究对象的锆钛酸铅Pb(zr,Ti)O3(PZT)薄膜,用X射线衍射仪、扫描电镜和RT6000S铁电测试仪测量表征铁电薄膜。接着用激光模拟热载荷作用在PZT薄膜上,发现薄膜的剩余极化变小,矫顽电压不变,铁电疲劳衰减率降低。分析这一现象产生的主要原因,是激光热作用影响铁电薄膜材料内部的极化分子和带电荷缺陷的运动所致。重复多次激光作用后,观察其形貌,发现薄膜出现界面裂纹,这与郑学军用激光热疲劳模型预测的结果一致。然后用RT6000S测试仪加载电载荷,总结得出PZT薄膜的铁电疲劳规律,即加载电压增加或加载频率降低时,铁电极化衰减程度变大。接着参考Dawber和Scott的空间电荷理论,加入对损耗宽度的修正,拟合出铁电薄膜的电载荷加载疲劳模型。并且我们发现修正的损耗层宽度与铁电疲劳极化衰变50%的循环次数值[N(50%)]有一定关系,可以用这个关系预测铁电薄膜的使用寿命。
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