PLZT反铁电厚膜温度场致相变行为研究

石树正 杨亚楠 王江武

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

本文首先制备了PLZT反铁电厚膜，其材料结构如下图1所示，为ABO3钙钛矿型[1]，PLZT的化学表达式为7Pb1-2/3XLaXZrYTiZO3，其中，X=0%～30%，Y+Z=100[2].本文研究的PLZT材料组分在室温下位于图2相图中的反铁电相区域.PLZT反铁电材料在外界因素的诱导下会出现一定的相变行为，例如温度场和电场等外部场激励下会产生相变效应，若两场共同激励，则会使其产生更加复杂的相变效应[3].对于PLZT反铁电厚膜在外场(温度场、电场)激励下的相变行为研究可以更好地指导其在实际中的选择应用，同时也为相关器件材料的设计制造及测试奠定理论基础.

图1 PLZT厚膜材料结构图 图2 室温下PLZT体系相图

1 室温下PLZT厚膜电致相变效应

PLZT厚膜在外电场作用所产生的相变效应受温度差异的影响有很大的区别，例如当外电场处于室内温度时，反铁电材料的P-E曲线如下图3(a)所示.室温时，反铁电材料的成分不同，其相态和稳定性也会随之变化，若改变ABO3结构的材料组分，在其A位(Pb2+)掺杂La3+(软性掺杂)[4]，相应的该反铁电材料的相变电场降低，而稳定性在一定程度上有所提高.下图3(b)为该反铁电材料的C-V曲线图，其中A(A′)、B(B′)分别表示由铁电态到反铁电态和由反铁电态到铁电态的相变点，表现为”双蝴蝶”型.室温下，该组分厚膜处于反铁电态，但其稳定性较差，在外场的诱导下容易发生相变.

a 反铁电材料P-E曲线 b 反铁电材料C-V曲线

2 50～110℃温度范围PLZT厚膜电致相变效应

50℃～110℃温度范围内，PLZT反铁电厚膜的介电曲线如图4所示，该曲线呈“双蝴蝶”形.图中不同颜色的曲线对应不同温度下的介电常数和介电损耗，且不同温度下PLZT反铁电厚膜的相变电压为曲线峰值所对应的横坐标点，温度越高，厚膜的相变电压越大.分析图形可知，电压在0→EAFE-FE区间时，即图中电场从0处波谷至左右两侧波峰的位置，厚膜的介电常数(Dielectric Constant)和介电损耗(Dielectric Loss)随电压值的增大而增大；当电压大于EAFE-FE，即图中电场波峰位置向两侧急剧下降的部分，此时反铁电厚膜由反铁电态变为铁电态，随电压的增大，其介电常数和介电损耗均降低，并且介电损耗和介电常数会因为电压的增大而降低的幅度增大.200 kV/cm为电场的最大值，即电场增大至200 kV/cm后，又开始呈下降趋势，当达到由铁电态到反铁电态的相变电场EFE-AFE后，其存在状态也从铁电态转变为反铁电态.

图4 不同温度下(50℃～110℃)的PLZT厚膜介电曲线

下表1表示温度限度处在50℃～110℃时，PLZT厚膜的电致相变参数受温度场激励的作用效果，厚膜从反铁电态转化成铁电态时，电压处于EAFE-FE；厚膜从铁电态转化成反铁电态时，电压处于EFE-AFE，这两种状态相互转化的难易程度表现为EAFE-FE和EFE-AFE，数值越大，难度越大.根据表显示，受温度增大的影响，EAFE-FE和EFE-AFE的值都呈不断减小的趋势，即温度越高，PLZT厚膜反铁电态与铁电态之间的相互转化会变得越来越容易.其ΔE=|EFE-AFE-EAFE-FE|表现受外电场激励PLZT厚膜处在反铁电态的难易程度，若ΔE变小，则表示PLZT厚膜更容易转换为铁电态，反之则相反.从表1可以看出，电滞宽度ΔE的数值也随着温度的升高而下降，由此可得，温度越高，在外场的诱导下，PLZT厚膜的稳定性越差，越容易变为铁电态.

表1 温度场对PLZT厚膜的电致相变参数影响

3 120～160℃温度范围PLZT厚膜电致相变效应

图5是在不同温度限度内，如图a的120℃～160℃第一限度和图b的140℃～160℃第二限度得到的PLZT厚膜的介电曲线.当温度处在第一限度内时，PLZT厚膜介电性能受温度影响其曲线呈现“单蝴蝶”形，即在该温度段内，厚膜呈铁电态，且PLZT厚膜的介电常数与介电损耗都与温度成负相关性，既呈现反比特性.若温度增大到第二限度内，这时温度因为超出PLZT反铁电厚膜的居里温度而呈现顺电态并且使铁电性散失，介电常数和介电损耗在温度不断升高的情况下，均无明显变化.

a 120℃～130℃ b 140℃～160℃

4 总 结

本文针对PLZT反铁电厚膜，研究了温度对PLZT厚膜电致相变的影响，结果表明：低温(60℃～110℃)范围内，相变电压与温度变化呈负相关，且温度越高诱导铁电态越不稳定；当温度处在120℃～130℃限度时，受外电场的诱导使PLZT厚膜以铁电态呈现，若温度继续上升到140℃以上，外电场的诱导则会使其以顺电态显现.