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系統識別號 U0002-3101200811203900
中文論文名稱 以Ba(Mg1/3Ta2/3)O3為緩衝層低溫成長次微米尺寸Pb(Zr0.52Ti0.48)O3薄膜之研究
英文論文名稱 Low Temperature Deposition of Submicron Pb(Z0.52Ti0.48O3) Thin Films Using Ba(Mg1/3Ta2/3)O3 as Buffer Layer in Pulsed Laser Deposition Process
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 物理學系碩士班
系所名稱(英) Department of Physics
學年度 96
學期 1
出版年 97
研究生中文姓名 郭孟宗
研究生英文姓名 Mon-Zong Gou
學號 694180240
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-01-23
論文頁數 93頁
口試委員 指導教授-林諭男
委員-薛宏中
委員-陳宜君
中文關鍵字 雷射鍍膜  次微米PZT 薄膜  壓電力顯微鏡  壓電系數 
英文關鍵字 PLD  micrometer size PZT  PFM  d33 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要 本論文研究以脈衝雷射鍍膜法(PLD),使用鋇鎂鉭(BMT)為緩衝
層,低溫成長鋯鈦酸鉛(PZT)鐵電薄膜。探討在不同鍍膜條件影響下
之鋯鈦酸鉛(PZT)薄膜特性。並以黃光微影技術(Lift-off)製作之基板,使用雷射鍍膜法,成功的改良微米鐵電PZT 薄膜製程,再以壓電力顯微鏡(PFM),來討論薄膜上之各電域極化方向,並將之量化,求得不同尺寸的壓電薄膜其壓電系數(d33)。
英文摘要 PZT (Pb(ZrTi)O3) thin films were deposition on BMT buffer layer by pulse laser deposition (PLD) in low temperature. First, we discussed the thin films properties in different growing conditions. Second we using lithography process (lift-off) made micrometer size substrates. We succeed growth micrometer size PZT thin films by PLD on the substrates.And we discussed the dielectric properties of micrometer size PZT thin films by piezoresponse force microscopy (PFM).
論文目次 致謝 …………………………………………………………… I
中文摘要 ……………………………………………………… II
英文摘要 ……………………………………………………… III
目錄 …………………………………………………………… IV
圖表目錄 ……………………………………………………… VIII
第一章:序論 …………………………………………………… 1
第二章:文獻回顧 ……………………………………………… 3
2.1 鐵電性材料及其鐵電性 …………………………… 3
2.2 PZT 鐵電材料 ……………………………………… 4
2.2.1 鈣鈦礦結構 ……………………………… 4
2.2.2 鋯鈦酸鉛(PZT)之相圖……………………… 6
2.2.3 變形相變(MPB) ………………………… 7
2.2.4 遲滯曲線 ………………………………… 9
2.3 BMT 微波介電材料 ………………………………… 10
2.4 鐵電薄膜之發展與製作 ………………………… 11
2.4.1 鐵電薄膜製作方法 ……………………… 12
2.4.2 準分子雷射製程 ………………………… 13
2.4.3 雷射剝鍍製程 …………………………… 14
2.5 鐵電薄膜在微機電系統上的應用 …………………… 18
2.5.1 微機電系統(MEMS)簡介 ………………… 18
2.5.2 記憶元件 ………………………………… 19
2.5.3 積體光學元件 …………………………… 21
2.5.4 感測元件 ………………………………… 23
2.6 掃描探針顯微術(Scanning Probe Microscopy, SPM)相關研究
………………………………………………………… 27
第三章:實驗方法 ………………………………………………… 38
3.1 靶材製備 …………………………………………… 38
3.1.1 BMT 靶材製備 ……………………………… 38
3.1.2 PZT 靶材製備 ……………………………… 38
3.2 薄膜製程 …………………………………………… 41
3.2.1 基板製備 …………………………………… 41
3.2.2 雷射剝鍍製程 ……………………………… 42
3.2.3 上電極製作過程 …………………………… 45
3.3 次微米尺寸薄膜製程改良……………………………… 45
3.3.1 次微米尺寸基板製備 ………………………… 45
3.3.2 次微米尺寸薄膜製備 ………………………… 48
3.4 特性量測 …………………………………………… 48
3.4.1 X 光繞射分析儀(XRD) ………………………… 48
3.4.2 掃描式電子顯微鏡(SEM) ……………………… 49
3.4.3 極化強度-電場量測( P-E ) …………………… 49
3.4.5 原子力顯微鏡之觀察與分析(AFM)……………… 49
3.4.6 壓電力顯微鏡之觀察與分析(PFM) ……………… 50
3.4.7 壓電系數-電場量測(d33) ……………………… 51
第四章:結果與討論 ……………………………………………… 52
4.1 脈衝雷射剝鍍機制下以BMT 薄膜為緩衝層低溫製備PZT 薄膜 52
4.1.1 改變基板溫度對薄膜結晶構造之影響 …………… 53
4.1.2 改變雷射能量對薄膜結晶構造之影響 …………… 53
4.1.3 改變PZT 鍍膜氧分壓對薄膜結構之影響(固定BMT 鍍膜氧
分壓) …………………………………………… 54
4.1.4 改變BMT 鍍膜氧分壓對薄膜結構之影響(固定PZT 鍍膜氧
分壓) …………………………………………… 54
4.1.5 改變BMT 鍍膜時間對薄膜結構之影響 …………… 55
4.1.6 改變雷射重複率對薄膜結晶構造之影響 ………… 55
4.2 脈衝雷射剝鍍機制下之以BMT 薄膜為緩衝層低溫製備PZT 薄膜
次微米尺寸PZT 薄膜製程改良 …………………………… 56
4.2.1 次微米薄膜製作 ……………………………… 56
4.2.2 以壓電力顯微鏡討論次微米薄膜之電域極化與壓電系數
(d33)量測 ………………………………………… 57
第五章 : 結論 …………………………………………………… 90
參考文獻……………………………………………………………91
圖表目錄
圖2-1 鐵電域極化情形示意圖 ………………………………… 4
圖2-2 鈣鈦礦結構 ……………………………………………… 5
圖2-3 Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 結構晶胞受極化圖……………………… 6
圖2-4 PbZrO3-PbTiO3 相圖 …………………………………… 7
圖2-5 室溫下PbZrO3-PbTiO3 系統的吉布斯自由能圖 ……… 8
圖2-6 MPB 成份材料性質表現圖 ……………………………… 9
圖2-7 鐵電體的電滯曲線圖 …………………………………… 10
圖2-8 雷射剝鍍示意圖 ………………………………………… 17
圖2-9 cosnθ 隨n 變化分布圖 ………………………………… 17
圖2-10 飛濺之物種與基板之間之作用 ………………………… 18
圖2-11 離軸法裝置示意圖 …………………………………………18
圖2-12 FRAM 元件橫截面圖 ……………………………………… 20
圖2-13 Total Internal Reflection,TIR 結構圖……………… 21
圖2-14 光電導記憶元件 …………………………………………… 22
圖2-15 電子發射源 ………………………………………………… 23
圖2-16 焦電塊材紅外線感測元件結構圖 ……………………… 24
圖2-17 焦電薄膜紅外線感測元件結構圖 ……………………… 25
圖2-18 新型的紅外線感測器結構圖 …………………………… 25
圖2-19 具隔熱結構的焦電元件 …………………………………… 25
圖2-20 壓電材料加速儀 ………………………………………… 26
圖2-21 行進波轉動馬達 ………………………………………… 27
圖2-22 壓電致動元件 …………………………………………… 27
圖2-23 掃描探針顯微鏡裝置圖 ………………………………… 28
圖2-24 間凡得瓦力與距離關係圖 ……………………………… 29
圖2-25 AFM 探針運作模式圖 …………………………………… 30
圖2-26 探針振盪振幅A 與振盪頻率ω 間的頻率響應關係圖 … 31
圖2-27 壓電力顯微鏡裝置圖 …………………………………… 35
圖2-28 探針與薄膜間之作用示意圖 …………………………… 35
圖2-29 PZT 受探針極化後的極化圖形 ………………………… 36
圖2-30 PZT 薄膜的PFM 影像 …………………………………… 36
圖2-31 鐵電樣品out-plane 與in-plane 的壓電回應訊號圖 …… 37
圖3-1 BMT 靶材製作流程圖 ……………………………………… 40
圖3-2 PZT 靶材製作流程圖 ……………………………………… 41
圖3-3 脈衝雷射鍍膜示意圖 ……………………………………… 44
圖3-4 脈衝雷射細部示意圖 ……………………………………… 44
圖3-5 次微米基板製作過程 ……………………………………… 47
圖3-6 次微米基板平面圖 ………………………………………… 47
圖3-7 次微米基板剖面圖 ………………………………………… 47
圖3-8 次微米基板三維示意圖 …………………………………… 48
圖3-9 di-CP II 原子力顯微鏡 ………………………………… 50
圖4.1.1-1 改變鍍薄膜時溫度(T =350-500 ℃)之XRD 繞射圖形…62
圖4.1.1-2 改變鍍薄膜時的溫度(T =350-500 ℃)之(100)(110)與
(111)晶相強度趨勢 …………………………………… 62
圖4.1.1-3 改變鍍薄膜時的溫度之SEM 表面結構 ……………… 63
圖4.1.2-1 改變雷射鍍膜能量參數之XRD 繞射圖形 …………… 64
圖4.1.2-2 改變雷射鍍膜能量之參數之(100)(110)與(111)晶相強度
趨勢 …………………………………………………… 64
圖4.1.3-1 改變鍍PZT 薄膜氧壓(Po2 =0.1-0.5 mbar),之XRD 繞射
圖形 …………………………………………………… 65
圖4.1.3-2 改變鍍PZT 薄膜氧壓(Po2 =0.1-0.5 mbar)之(100)(110)
與(111)晶相強度趨勢 ……………………………… 65
圖4.1.4-1 改變鍍BMT 薄膜氧壓(Po2 =0.5-0.9 mbar),之XRD 繞射
圖形 …………………………………………………… 66
圖4.1.4-2 改變鍍BMT 薄膜氧壓(Po2 =0.5-0.9 mbar)之(100)(110)
與(111)晶相強度趨勢 ……………………………… 66
圖4.1.4-3 改變鍍BMT 時氧分壓之遲滯曲線圖 ……………… 67
圖4.1.5-1 改變鍍BMT 薄膜時間(t=15-120 s),之XRD 繞射圖形
………………………………………………………… 68
圖4.1.5-2 改變鍍BMT 薄膜時間之SEM 圖 ………………………… 69
圖4.1.5-3 改變鍍BMT 薄膜時間之SEM 圖(BMT 厚度) …………… 70
圖4.1.5-4 改變鍍BMT 薄膜時間之遲滯曲線圖 …………………… 71
圖4.1.6-1 改變鍍薄膜時的重複率(R =5-20 Hz) ………………… 72
圖4.1.6-2 改變鍍薄膜時的重複率之SEM 圖 …………………… 73
圖4.1.6-3 改變鍍薄膜時的重複率之單位面積下大顆粒數 …… 74
圖4.2.1-1 不同尺寸之小載台其XRD 晶相結構 ………………… 75
圖4.2.1-2 次微米尺寸之PZT 薄膜EDS 分析 …………………… 77
圖4.2.1-3 次微米尺寸之PZT 薄膜SEM 圖形 …………………… 78
圖4.2.2-1 PZT 鐵電薄膜之(a)表面樣貌與VPFM 影像,DC 加壓
過程經 (b)0 V→ (c) 10 V→ (d)0V→ (e) -10V→ (f) 0 V ……79
圖4.2.2-2 PZT 鐵電薄膜之(a)表面樣貌與LPFM 影像,DC 加壓
過程經 (b)0 V→ (c) 10 V→ (d)0V→ (e) -10V→ (f) 0 V…… 80
圖4.2.2-3 PZT 2μm 之次微米薄膜之(a)表面樣貌與VPFM 影像,DC
加壓過程經 (b)0 V→ (c) 10 V→ (d)0V→ (e) -10V→ (f) 0 V
………………………………………………………… 81
圖4.2.2-4 PZT 2μm 之次微米薄膜之(a)表面樣貌與LPFM 影像,DC 加
壓過程經 (b)0 V→ (c) 10 V→ (d)0V→ (e) -10V→ (f) 0 V
………………………………………………………… 82
圖4.2.2-5 PZT 8μm 之次微米薄膜之(a)表面樣貌與VPFM 影像,DC 加
壓過程經 (b)0 V→ (c) 10 V→ (d)0V→ (e) -10V→ (f) 0 V
………………………………………………………… 84
圖4.2.2-6 PZT 2μm 之次微米薄膜之(a)表面樣貌與LPFM 影像,DC 加
壓過程經 (b)0 V→ (c) 10 V→ (d)0V→ (e) -10V→ (f) 0 V
……………………………………………………… 86
圖4.2.2-7 次微米尺寸之PZT 薄膜壓電力訊號與外加電壓關係圖
……………………………………………………… 86
圖4.2.2-8 壓電力顯微鏡量其探針懸臂偏移量與壓電管伸長量之關
係圖……………………………………………………………… 87
圖4.2.2-9 次微米尺寸 PZT 薄膜之電場對d33 之遲滯曲線…… 89
圖4.2.2-10 次微米尺寸 PZT 薄膜之尺寸對d33 與Ec 之關係圖… 89
表4-1 改變鍍膜溫度之參數 ………………………………………… 60
表4-2 改變雷射鍍膜能量之參數 ……………………………… 60
表4-3 改變PZT 鍍膜氧分壓之參數 ……………………………… 60
表4-4 改變BMT 鍍膜氧分壓之參數 ……………………………… 61
表4-5 改變BMT 鍍膜時間之參數 ………………………………… 61
表4-6 改變雷射鍍膜重複率之參數 …………………………… 61
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論文使用權限
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