PZT铁电薄膜电畴结构和演化的飞秒激光方法表征研究

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铁电薄膜具有的铁电性、压电性、介电性、热释电性、电光效应，使得铁电薄膜器件已经得到了广泛的应用，如：铁电存储器、压电传感器、红外探测器。铁电畴翻转是铁电薄膜器件工作的基础，了解铁电电畴的结构和演化规律对铁电薄膜器件的研发、优化、生产起着非常重要的作用。然而，铁电薄膜在使用过程中存在保持性失效问题，即在撤去外加电场后极化强度发生衰减，这实质上是铁电薄膜在外加电压撤去后的电畴背翻转的问题。为了厘清并解决这一问题，研究者们围绕探测铁电薄膜畴翻转的时间尺度和动力学过程进行了大量的研究。然而，迄今为止，人们对铁电薄膜在亚皮秒时间尺度下的翻转机理仍然不是十分清楚。由于非接触性、非破坏性和高时间分辨性，近年来，飞秒激光方法已成为表征材料的重要方法。基于光与极化的相互作用的太赫兹时域光谱(THz-TDS)及二次谐波(SHG)方法是表征铁电薄膜在太赫兹(THz)频段的极化性质的有效飞秒激光方法。随着无线通讯向更高的频率发展(实验室阶段已达到300 GHz)，高频下铁电薄膜的性能变得越来越重要。与其他铁电薄膜材料相比，由于Pb(Zr,Ti)O3(PZT)外延薄膜具有更加优异的铁电性，例如：高剩余极化强度，低矫顽电场，良好的保持性能，并成为新型功能材料中的研究热点。为此，本文利用THz-TDS及SHG技术对外延PZT薄膜在THz频段的物理特性及铁电畴结构进行了研究。主要研究内容包括以下两个方面：
　　1.采用时域光谱的方法，研究了 PZT铁电薄膜的晶体取向、锆钛比值等参数对 PZT铁电薄膜的吸收谱的影响。在实验中，我们采用了由脉冲激光沉积方法沉积的不同取向及不同锆钛比的PZT铁电薄膜。经过研究发现，晶体取向及锆钛比通过影响薄膜的折射率、畴结构、晶格常数等，使得PZT薄膜的THz吸收谱发生变化。其中，(110)取向的PZT薄膜由于具有较多的面外畴(c畴)及较小的畴壁密度，其 THz吸收谱强度大于(100)和(111)取向的PZT薄膜的吸收谱强度。随着锆钛比的增加薄膜的吸收率减小，可能是因为随着锆钛比值的增加薄膜的折射率减小，而反射率增大，从而吸收减小。
　　2.利用 SHG对 PZT铁电薄膜的畴结构及其演化进行了研究。首先，通过对铁电薄膜 SHG信号进行了理论分析，我们得到了畴的分布与 SHG信号的关联。其次，我们分别对制备的PZT/DSO薄膜和 PZT/SRO/STO薄膜在无外加电场时进行了二次谐波的研究。对于PZT/DSO薄膜，我们改变入射光的偏振状态得到 SHG信号花样，发现在改变样品的方位角后，SHG信号没有发生明显改变，说明铁电薄膜畴在各方向都有分布比较均匀，样品PFM图验证了这一结论。然后，通过对 SHG花样的拟合分析，得到了不同铁电畴结构的比例及非线性系数的信息。对于 PZT/SRO/STO薄膜，我们改变入射光的偏振状态得到 SHG信号花样。通过对 SHG花样的拟合分析，得到了不同铁电畴结构的比例及非线性系数的信息，与样品的PFM测试结果相符合。最后，利用 SHG研究了在施加外电场的情况下铁电薄膜畴结构的演化。SHG强度随着所加电压的变化呈现回线形状，具有滞后效应，说明了 SHG信号能够反映铁电畴的演化规律，是表征铁电薄膜电畴演化的重要手段。

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作者
裴海霞;
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作者单位

湘潭大学;

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授予单位湘潭大学;
学科材料科学与工程
授予学位硕士
导师姓名杨琼;
年度 2016
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类特种结构材料;
关键词
PZT铁电薄膜; 电畴结构; 飞秒激光; 物理特性;

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