PZT-Pt奈米複合鐵電薄膜中局部電場放大效應的研究

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研究生：	鄭政瑋 Cheng-Wei Cheng
論文名稱：	PZT-Pt奈米複合鐵電薄膜中局部電場放大效應的研究 A Study of local electric field enhancement effect in PZT-Pt nanocomposited Thin Film
指導教授：	吳泰伯 T.B. Wu 周立人 L.J. Chou
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering
論文出版年：	2003
畢業學年度：	91
語文別：	中文
論文頁數：	90
中文關鍵詞：	奈米、電場、鐵電、鋯鈦酸鉛、白金
外文關鍵詞：	PZT Pt
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利用磁控式濺鍍系統鍍製Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 (PZT) 和Pt 奈米複合薄膜，並研究其微結構和電性之關係及建立模型。分別利用層狀成長法與共鍍法製作出不同結構的奈米複合鐵電薄膜，並探究兩者的性質。我們發現加入奈米白金顆粒於PZT薄膜中有增強其極化反轉的特性，改善薄膜的鐵電特性並使介電常數值增加。
我們提出了一個模型（局部電場放大效應）來解釋奈米白金顆粒的影響效果，並藉由電腦數值模擬來了解白金顆粒於薄膜內部所造成的電場放大情形，了解微觀結構和電性相互影響的作用，並進一步闡敘局部電場放大效應的成因及其應用性。

摘要
誌謝

表目錄

圖目錄

第一章  序論…………………………………………… 1

第二章  文獻回顧……………………………………… 5

  2-1 介電性質…………………………………………… 5

      2-1-1 材料的介電性質…………………………… 5

      2-1-2 介電常數與介電損失……………………… 6

  2-2 鐵電性質…………………………………………… 8

      2-2-1 材料的鐵電性質…………………………… 8

      2-2-2 鐵電電域反轉機制………………………… 9

      2-2-3 鐵電材料之極化特性……………………… 10

      2-2-4 矯頑電場（Ec）及其厚度依賴性………… 11

      2-2-5 鐵電材料的疲勞現象……………………… 13

  2-3 鐵電材料PZT的結構與基本物理特性……………15

  2-4 非揮發性鐵電記憶體（FeRAM）…………………16

第三章 局部電場放大效應與有限元素分析法…… 23

  3-1電場放大效應…………………………………………23

  3-2數值模擬（Numerical simulation）………………25

      3-2-1 FEM（Finite Element Method）………………25

      3-2-2 有限元素分析法在電場模擬中的基本原理 26

第四章 實驗程序………………………………………… 31

4-1共鍍法…………………………………………………… 31

  4-1-1 濺鍍靶材的製備………………………………… 31

  4-1-2 基板的製備……………………………………… 31

  4-1-3 共鍍（Co-sputtering）系統…………………… 32

  4-1-4 薄膜的沉積……………………………………… 32

  4-1-5 熱處理…………………………………………… 32

4-2白金顆粒夾層……………………………………………32

  4-2-1濺鍍靶材……………………………………………32

  4-2-2基板的製備…………………………………………33

  4-2-3 薄膜的沉積……………………………………… 33

  4-2-4熱處理………………………………………………33

4-3晶體結構鑑定……………………………………………33

4-4 成分分析……………………………………………… 33

4-4-1感應偶合電漿質譜儀（ICP-Mass）…………… 34

  4-4-2二次離子質譜儀（SIMS）…………………………34

4-5 微結構的觀測………………………………………… 35

4-6 電性的量測…………………………………………… 35

  4-6-1 上電極的製作…………………………………… 35

  4-6-2介電常數與介電損失（εr，tanδ）……………  35

  4-6-3 P-E 電滯曲線……………………………………  35

4-7 薄膜內部電場分佈電腦模擬………………………36

第五章 結果與討論…………………………………… 43

5-1. 薄膜內部電場之數值模擬…………………………… 43

  5-1-1-1 不同半徑的金屬顆粒位在基材的中心所造成的影響……………………………………………43

  5-1-1-2 相同半徑的金屬顆粒位在基材的不同位置所造成的影響………………………………………… 44

  5-1-1-3 不同顆粒密度的金屬顆粒位在基材中心所造成的影響…………………………………………… 45

  5-1-1-4 不同顆粒密度的金屬顆粒位在電極上所造成的影響……………………………………………… 45

  5-1-2   白金顆粒對有效介電常數影響之數值模擬… 46

5-2 局部電場放大效應在白金顆粒夾層中的效應……… 47

  5-2-1結晶結構……………………………………………47

  5-2-2 TEM微結構觀察……………………………………48

  5-2-3 P – E 特性………………………………………… 48

  5-2-4 疲勞特性………………………………………… 49

5-3 局部電場放大效應在PZT-Pt奈米複合薄膜中的效應49

  5-3-1 PZT-Pt薄膜中白金的含量……………………… 49

  5-3-2結晶結構…………………………………………… 52

  5-3-3 TEM微結構觀察……………………………………52

  5-3-4 P – E 特性………………………………………… 52

  5-3-5 介電特性………………………………………… 54

第六章 結論……………………………………………… 84

第七章 參考文獻………………………………………… 85

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