中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
鋯鈦酸鉛（Lead Zirconate Titanate, PZT）是一種因其優(yōu)異的壓電和鐵電性能而廣泛應用于微電子、傳感器、執行器、換能器等領(lǐng)域的功能材料。近年來(lái)，稀土摻雜改性 PZT 材料的研究逐漸成為熱點(diǎn)。稀土元素因其獨特的離子半徑和化學(xué)價(jià)態(tài)，能夠替代晶格中的原有離子，導致晶格畸變，從而影響 PZT 薄膜的性能。特別是，釤（Samarium，Sm）離子的摻雜在鉛基鐵電材料中表現出了顯著(zhù)的超高壓電響應，近年來(lái)這一現象引起了廣泛關(guān)注。
中國科學(xué)院聲學(xué)研究所超聲學(xué)實(shí)驗室李俊紅研究員及其指導的博士生遆金銘采用溶膠-凝膠工藝制備了不同摻雜濃度（0、0.5、1、1.5、2、3 mol%）的Sm-PZT薄膜，系統地研究了不同釤摻雜濃度對PZT薄膜的表面形貌、致密度、晶體結構、壓電性能、介電性能和鐵電性能的影響。
研究結果顯示，釤摻雜促進(jìn)了PZT薄膜晶粒的生長(cháng)，顯著(zhù)提高了其壓電系數d33和剩余極化Pr。此前關(guān)于釤摻雜PZT陶瓷的研究結果顯示，釤摻雜會(huì )抑制PZT陶瓷的晶粒生長(cháng)，而本文的研究則表明，在薄膜狀態(tài)下，Sm-PZT薄膜的表現與陶瓷不同，薄膜界面和生長(cháng)基底對PZT薄膜的晶體生長(cháng)有重要影響，釤摻雜會(huì )促進(jìn)PZT薄膜的晶粒生長(cháng)。同時(shí)，釤摻雜可以顯著(zhù)提高PZT薄膜的壓電系數d33。這項研究中制備的Sm-PZT薄膜（1.5 mol%）表現出了高達279.87 pm/V的壓電系數d33。研究還發(fā)現，釤摻雜可以提高PZT薄膜的剩余極化Pr，并對矯頑場(chǎng)有一定改善作用。
圖1 Sm-PZT薄膜后處理工藝流程
圖2 Sm-PZT薄膜晶粒尺寸分布圖(a)Sm=0 mol%;(b) Sm =0.5 mol%;(c) Sm =1 mol%;(d) Sm =1.5 mol%;(e) Sm =2 mol%;(f) Sm =3 mol%.
圖3 Sm-PZT薄膜的平均晶粒尺寸
圖4 Sm-PZT薄膜壓電系數d33
圖5 Sm-PZT薄膜壓電系數d33
圖6 Sm-PZT薄膜的電滯回線(xiàn)
圖7 Sm-PZT薄膜的剩余極化Pr與矯頑場(chǎng)Ec
團隊介紹
遆金銘，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所博士研究生，研究方向為壓電薄膜與聚焦超聲換能器。以第一作者在J APPL PHYS、J ALLOYS COMPD、APPL PHYS A、ECS J SOLID STATE SCI TECHNOL等期刊發(fā)表論文5篇。
李俊紅，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所研究員、博士生導師，超聲學(xué)實(shí)驗室副主任。主要研究領(lǐng)域為聲學(xué)MEMS、壓電薄膜和高頻壓電換能器等。獲國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)與面上項目、預研重點(diǎn)項目、中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項目等科研項目資助。在SENSOR ACTUAT A-PHYS、SMART MATER STRUCT、J ALLOYS COMPD、CERAM INT等國際國內期刊發(fā)表論文60余篇，授權發(fā)明專(zhuān)利18項。
