一、实验原理

1．主要性质和用途

铁电薄膜是指沉积在不同衬底上的厚度为数十纳米至数微米的铁电材料。铁电薄膜的介电特性、铁电开关特性、压电及电光效应使其广泛地应用于现代电子及光电子科学的许多领域。如制作声表面波器件用于雷达和电视接收机；制作铁电存储器用于航天飞行器及新一代计算机的存储元件等等。在已研究的铁电薄膜中，锆钛酸铅（lead zimonate titanate，简称PZT）因其性能优良而备受重视。

2．制备原理

制备PZT薄膜的方法主要有金属有机化合物热分解（MOD）法、金属有机物化学气相沉积(MOCVD）法、磁控射频(RF)溅射法和溶胶-凝胶（sol - gel)法。其中sol - gel法制备PZI，铁电薄膜是近几年发展起来的，其特点是工艺过程温度低，工艺简单，材料在分子水平上混合，适用于制备大面积薄膜，其膜厚及晶粒尺寸均可控制在纳米级。

sol - gel法制备PZI，薄膜的工艺流程如图9.10所示。

PZI是铁电体PbTi0₃和反铁电体PbZrO₃的二元固溶体，属钙钛矿型结构，其化学式为Pb(Zr_xTi1_-x）0₃。 PbTiO₃与PbZrO₃可以任何比例形成固溶体。当x＝0.52时，称为同质异晶相，其居里温度为385℃，本实验制备Pb(Zr_o.52Ti_o.48) 0₃薄膜。

二、主要仪器和药品

分析天平、烧杯、磁力搅拌器、匀胶机、烧结炉（1000℃),x-射线衍射仪、差热分析仪、扫描电子显微镜，后三种为辅助设备。

硝酸氧锆(4N)、醋酸铅(4N)、钛酸四丁酯、乙二醇、抛光硅基片（20 mm x 10 mm x l mm)

三、实验内容

1.PZT溶胶的制备

按100:52:48计算称取醋酸铅（Pb(Ac)₂)、硝酸氧锆(ZrO(N0₃)₂·2H₂0)和钛酸四丁酯Ti(OC₄H₉)₄，使相应的Pb (Zr_O.52 Ti_0.48) 0₃为 0. 005 mol。称量时应先称ZrO (NO₃)₂ ·2H₂0和Pb(Ac)₂，最后称Ti（10一nBu)₄。称好后的原料放入烧杯中，加入适量的乙二醇(35一40 ml) 。将上述混合物在100一140℃下加热搅拌约20 min，可得透明淡黄色溶液。用光束照射时可观察到明显的丁达尔（Tyndall）现象，表明溶胶已形成。

将部分溶胶加热至180℃可形成凝胶，再于80℃恒温10一12 h，可得干凝胶，由干凝胶的热重-差热分析（TG - DTA）曲线确定薄膜的形成条件。

2．基片的处理

本实验中以（100）切向的si为基片。基片首先进行抛光，然后清洗。清洗过程是：先用乙醇浸泡，再用丙酮漂洗，最后用甲醇超声清洗20s。清洗好的Si基片烘干备用。

为了增强PZf膜的结晶性及其与基片间的附着力，常常在Si基片表面镀一层Ti和Pt，其厚度一般为数十纳米。或用Sol一gel法先涂一层PbTiO₃膜。

3.湿膜的制备

用回转方法将溶胶均匀地徐敷在处理好的Si基片上。具体步骤是：将基片固定于匀胶机的样品盘上，然后小心地将溶胶滴在Si基片上，并使其布满整个基片表面，盖上样品盘盖，逐渐将匀胶机转速增为3000一5 000 r· min^-1，匀胶时间为30一50_S。

4.湿膜的热处理—PZT膜的形成

形成的湿膜放于空气中形成凝胶之后，于80℃恒温以形成干的凝胶膜。该膜于350℃预烧30 min以除去有机物，再于600℃烧结即形成PZT膜。膜厚约30 mn。重复过程3,4，可得不同厚度的PZT膜。

5. PZT，膜的表征

①由X一射线衍射确定是否已形成PZT晶相。

② PZT，晶粒的大小可以由扫描电子显微镜观察测量。

③在PZT膜上镀电极、加电场．观察其电滞回线。

四、注意事项

①原料称量时应最后称Ti (OC₄H₉)₄，因其易水解，且水解产物不易溶于乙二醇。

②基片处理要完全，匀胶时且勿弄脏基片。

③用滴管将溶胶滴在基片上时，要注意将整个基片涂匀，否则在匀胶机高速旋转时，部分溶胶被甩掉，而部分基片均不上胶。

④湿膜的热处理要缓慢升温，以免有机物的快速挥发和分解而使薄膜出泡或开裂。