PLZT反鐵電厚膜溫度場致相變行為研究

石樹正 楊亞楠 王江武

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

本文首先制備了PLZT反鐵電厚膜，其材料結(jié)構(gòu)如下圖1所示，為ABO3鈣鈦礦型[1]，PLZT的化學(xué)表達式為7Pb1-2/3XLaXZrYTiZO3，其中，X=0%～30%，Y+Z=100[2].本文研究的PLZT材料組分在室溫下位于圖2相圖中的反鐵電相區(qū)域.PLZT反鐵電材料在外界因素的誘導(dǎo)下會出現(xiàn)一定的相變行為，例如溫度場和電場等外部場激勵下會產(chǎn)生相變效應(yīng)，若兩場共同激勵，則會使其產(chǎn)生更加復(fù)雜的相變效應(yīng)[3].對于PLZT反鐵電厚膜在外場(溫度場、電場)激勵下的相變行為研究可以更好地指導(dǎo)其在實際中的選擇應(yīng)用，同時也為相關(guān)器件材料的設(shè)計制造及測試奠定理論基礎(chǔ).

圖1 PLZT厚膜材料結(jié)構(gòu)圖 圖2 室溫下PLZT體系相圖

1 室溫下PLZT厚膜電致相變效應(yīng)

PLZT厚膜在外電場作用所產(chǎn)生的相變效應(yīng)受溫度差異的影響有很大的區(qū)別，例如當外電場處于室內(nèi)溫度時，反鐵電材料的P-E曲線如下圖3(a)所示.室溫時，反鐵電材料的成分不同，其相態(tài)和穩(wěn)定性也會隨之變化，若改變ABO3結(jié)構(gòu)的材料組分，在其A位(Pb2+)摻雜La3+(軟性摻雜)[4]，相應(yīng)的該反鐵電材料的相變電場降低，而穩(wěn)定性在一定程度上有所提高.下圖3(b)為該反鐵電材料的C-V曲線圖，其中A(A′)、B(B′)分別表示由鐵電態(tài)到反鐵電態(tài)和由反鐵電態(tài)到鐵電態(tài)的相變點，表現(xiàn)為”雙蝴蝶”型.室溫下，該組分厚膜處于反鐵電態(tài)，但其穩(wěn)定性較差，在外場的誘導(dǎo)下容易發(fā)生相變.

a 反鐵電材料P-E曲線 b 反鐵電材料C-V曲線

2 50～110℃溫度范圍PLZT厚膜電致相變效應(yīng)

50℃～110℃溫度范圍內(nèi)，PLZT反鐵電厚膜的介電曲線如圖4所示，該曲線呈“雙蝴蝶”形.圖中不同顏色的曲線對應(yīng)不同溫度下的介電常數(shù)和介電損耗，且不同溫度下PLZT反鐵電厚膜的相變電壓為曲線峰值所對應(yīng)的橫坐標點，溫度越高，厚膜的相變電壓越大.分析圖形可知，電壓在0→EAFE-FE區(qū)間時，即圖中電場從0處波谷至左右兩側(cè)波峰的位置，厚膜的介電常數(shù)(Dielectric Constant)和介電損耗(Dielectric Loss)隨電壓值的增大而增大；當電壓大于EAFE-FE，即圖中電場波峰位置向兩側(cè)急劇下降的部分，此時反鐵電厚膜由反鐵電態(tài)變?yōu)殍F電態(tài)，隨電壓的增大，其介電常數(shù)和介電損耗均降低，并且介電損耗和介電常數(shù)會因為電壓的增大而降低的幅度增大.200 kV/cm為電場的最大值，即電場增大至200 kV/cm后，又開始呈下降趨勢，當達到由鐵電態(tài)到反鐵電態(tài)的相變電場EFE-AFE后，其存在狀態(tài)也從鐵電態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F電態(tài).

圖4 不同溫度下(50℃～110℃)的PLZT厚膜介電曲線

下表1表示溫度限度處在50℃～110℃時，PLZT厚膜的電致相變參數(shù)受溫度場激勵的作用效果，厚膜從反鐵電態(tài)轉(zhuǎn)化成鐵電態(tài)時，電壓處于EAFE-FE；厚膜從鐵電態(tài)轉(zhuǎn)化成反鐵電態(tài)時，電壓處于EFE-AFE，這兩種狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化的難易程度表現(xiàn)為EAFE-FE和EFE-AFE，數(shù)值越大，難度越大.根據(jù)表顯示，受溫度增大的影響，EAFE-FE和EFE-AFE的值都呈不斷減小的趨勢，即溫度越高，PLZT厚膜反鐵電態(tài)與鐵電態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化會變得越來越容易.其ΔE=|EFE-AFE-EAFE-FE|表現(xiàn)受外電場激勵PLZT厚膜處在反鐵電態(tài)的難易程度，若ΔE變小，則表示PLZT厚膜更容易轉(zhuǎn)換為鐵電態(tài)，反之則相反.從表1可以看出，電滯寬度ΔE的數(shù)值也隨著溫度的升高而下降，由此可得，溫度越高，在外場的誘導(dǎo)下，PLZT厚膜的穩(wěn)定性越差，越容易變?yōu)殍F電態(tài).

表1 溫度場對PLZT厚膜的電致相變參數(shù)影響

3 120～160℃溫度范圍PLZT厚膜電致相變效應(yīng)

圖5是在不同溫度限度內(nèi)，如圖a的120℃～160℃第一限度和圖b的140℃～160℃第二限度得到的PLZT厚膜的介電曲線.當溫度處在第一限度內(nèi)時，PLZT厚膜介電性能受溫度影響其曲線呈現(xiàn)“單蝴蝶”形，即在該溫度段內(nèi)，厚膜呈鐵電態(tài)，且PLZT厚膜的介電常數(shù)與介電損耗都與溫度成負相關(guān)性，既呈現(xiàn)反比特性.若溫度增大到第二限度內(nèi)，這時溫度因為超出PLZT反鐵電厚膜的居里溫度而呈現(xiàn)順電態(tài)并且使鐵電性散失，介電常數(shù)和介電損耗在溫度不斷升高的情況下，均無明顯變化.

a 120℃～130℃ b 140℃～160℃

4 總 結(jié)

本文針對PLZT反鐵電厚膜，研究了溫度對PLZT厚膜電致相變的影響，結(jié)果表明：低溫(60℃～110℃)范圍內(nèi)，相變電壓與溫度變化呈負相關(guān)，且溫度越高誘導(dǎo)鐵電態(tài)越不穩(wěn)定；當溫度處在120℃～130℃限度時，受外電場的誘導(dǎo)使PLZT厚膜以鐵電態(tài)呈現(xiàn)，若溫度繼續(xù)上升到140℃以上，外電場的誘導(dǎo)則會使其以順電態(tài)顯現(xiàn).