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1、鐵電薄膜具有十分優(yōu)異的鐵電性能、壓電性能、熱釋電性能、非線性光學(xué)性能等,因此有望用于非揮發(fā)鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器、力傳感器、聲傳感器、微型驅(qū)動(dòng)器(包括微型馬達(dá)等)、紅外探測(cè)材料等。目前,采用不同工藝制備的鐵電薄膜材料往往呈現(xiàn)出特殊的結(jié)晶取向,展示出不同的物理力學(xué)性能。此外,薄膜材料特殊的微觀結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力、附著特性等不僅影響鐵電薄膜的鐵電性能,而且直接關(guān)系到鐵電薄膜材料的可靠性。
本文以多晶鐵電薄膜為研究對(duì)象,采用不同的模型計(jì)算了多晶
2、鐵電薄膜的有效彈性常數(shù),研究了兩種工藝制備的 Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT)薄膜和(Pb0.90La0.10)Ti0.975O3(PLT)薄膜的硬度和壓痕模量,分析了不同織構(gòu)對(duì)多晶薄膜彈性性能的影響。推導(dǎo)了適于計(jì)算有織構(gòu)的多晶鐵電薄膜的 X射線衍射(XRD)應(yīng)力分析的基本方程,分析了 PZT薄膜和 PLT薄膜的殘余應(yīng)力。利用納米壓痕儀和原子力顯微鏡(AFM)研究了鐵電薄膜在大載荷壓入下的破壞行為,計(jì)算有效界面斷裂韌性,借
3、助有限元方法分析了壓入過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)。以下是本文的主要研究思路、方法和結(jié)論:
(1)利用 Voigt、Ruess、Voigt-Ruess-Hill(VRH)和 Vook–Witt(VW)模型計(jì)算理想絲織構(gòu)及隨機(jī)取向正交各向異性鐵電薄膜的有效彈性常數(shù)。以二維高斯分布函數(shù)作為取向分布函數(shù),分析織構(gòu)彌散對(duì)薄膜彈性性能的影響。數(shù)值結(jié)果表明,不同取向薄膜彈性常數(shù)的計(jì)算結(jié)果差異很大。對(duì)于強(qiáng)(001)織構(gòu)薄膜,取向分布函數(shù)可以近似簡(jiǎn)化為
4、關(guān)于θ的一維高斯分布函數(shù),對(duì)于其它類型的織構(gòu),需要考慮二維高斯分布函數(shù)作為取向分布函數(shù);
(2)利用 XRD和 AFM分析溶膠-凝膠法制備的 PZT和磁控濺射法制備的 PLT鐵電薄膜的相組成、結(jié)晶取向和表面輪廓等微觀結(jié)構(gòu)特征。結(jié)合納米壓痕技術(shù)分析薄膜晶粒大小、表面粗糙度和擇優(yōu)取向?qū)Ρ∧汉勰A颗c硬度的影響,并與用 VRH模型計(jì)算的壓痕模量進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明,PZT薄膜和PLT薄膜均為鈣鈦礦結(jié)構(gòu),PZT薄膜晶粒尺寸在30-60
5、nm之間。PZT薄膜的硬度呈現(xiàn)出逆 Hall-Petch關(guān)系,即硬度隨晶粒的增大而增大。不同織構(gòu)的鐵電薄膜的壓痕模量存在很大差異,實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果都顯示:PZT薄膜的壓痕模量滿足MTH(100)
6、應(yīng)力分析的基本方程,推導(dǎo)相應(yīng)的衍射彈性常數(shù)。針對(duì)(001)取向薄膜,利用壓電本構(gòu)方程導(dǎo)出了壓電耦合對(duì)薄膜應(yīng)力的貢獻(xiàn)。采用不同模型計(jì)算了 PZT薄膜和 PLT薄膜的殘余應(yīng)力。結(jié)果表明,采用 Reuss模型推導(dǎo)的εψ與sin2ψ呈線性關(guān)系,且依賴于所測(cè)量的晶面{hkl},而采用 Voigt模型推導(dǎo)的εψ與sin2ψ關(guān)系呈線性但不依賴于測(cè)量晶面{hkl}。采用 VW模型計(jì)算得到的數(shù)值結(jié)果顯示,εψ與sin2ψ不再滿足線性關(guān)系,且與選擇測(cè)量的晶
7、面{hkl}有關(guān)。溶膠-凝膠法制備的隨機(jī)取向 PZT薄膜的宏觀殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力,采用 VW模型計(jì)算得到 PZT-C和PZT-D試樣的殘余應(yīng)力分別為1.09GPa和0.79GPa。采用Reuss和VW模型計(jì)算所得的結(jié)果相接近。磁控濺射法制備的強(qiáng)織構(gòu)的 PLT薄膜的宏觀殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力,采用 VRH模型計(jì)算得到的(100)、(110)和(111)三種不同織構(gòu)的PLT薄膜的殘余應(yīng)力分別為-1.60GPa、-1.55GPa和-2.06GPa;<
8、br> (4)利用納米壓痕儀和 AFM觀測(cè)鐵電薄膜在大載荷壓入下的破壞行為,結(jié)合理論模型計(jì)算有效界面斷裂韌性。通過(guò)有限元方法分析壓入過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)以及不同參數(shù)對(duì)壓痕過(guò)程中 PLT/Pt界面處應(yīng)力分布的影響。結(jié)果表明,不同模型計(jì)算的 PLT/Pt界面斷裂韌性是不同的,采用 VRH模型計(jì)算得到的(100)、(110)和(111)取向的 PLT薄膜/Pt的界面斷裂韌性分別為6.1J/m2、5.0J/m2和6.3J/m2。有限元計(jì)算結(jié)果表明
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