具有择优取向的多晶铁电薄膜的力学性能研究

论文摘要

铁电薄膜具有十分优异的铁电性能、压电性能、热释电性能、非线性光学性能等,因此有望用于非挥发铁电随机存储器、力传感器、声传感器、微型驱动器（包括微型马达等）、红外探测材料等。目前,采用不同工艺制备的铁电薄膜材料往往呈现出特殊的结晶取向,展示出不同的物理力学性能。此外,薄膜材料特殊的微观结构、残余应力、附着特性等不仅影响铁电薄膜的铁电性能,而且直接关系到铁电薄膜材料的可靠性。本文以多晶铁电薄膜为研究对象,采用不同的模型计算了多晶铁电薄膜的有效弹性常数,研究了两种工艺制备的Pb(Zr0.52Ti0.48)O3（PZT）薄膜和(Pb0.90La0.10)Ti0.975O3（PLT）薄膜的硬度和压痕模量,分析了不同织构对多晶薄膜弹性性能的影响。推导了适于计算有织构的多晶铁电薄膜的X射线衍射（XRD）应力分析的基本方程,分析了PZT薄膜和PLT薄膜的残余应力。利用纳米压痕仪和原子力显微镜（AFM）研究了铁电薄膜在大载荷压入下的破坏行为,计算有效界面断裂韧性,借助有限元方法分析了压入过程中产生的应力场。以下是本文的主要研究思路、方法和结论:（1）利用Voigt、Ruess、Voigt-Ruess-Hill（VRH）和Vook–Witt（VW）模型计算理想丝织构及随机取向正交各向异性铁电薄膜的有效弹性常数。以二维高斯分布函数作为取向分布函数,分析织构弥散对薄膜弹性性能的影响。数值结果表明,不同取向薄膜弹性常数的计算结果差异很大。对于强（001）织构薄膜,取向分布函数可以近似简化为关于θ的一维高斯分布函数,对于其它类型的织构,需要考虑二维高斯分布函数作为取向分布函数;（2）利用XRD和AFM分析溶胶-凝胶法制备的PZT和磁控溅射法制备的PLT铁电薄膜的相组成、结晶取向和表面轮廓等微观结构特征。结合纳米压痕技术分析薄膜晶粒大小、表面粗糙度和择优取向对薄膜压痕模量与硬度的影响,并与用VRH模型计算的压痕模量进行对比。结果表明,PZT薄膜和PLT薄膜均为钙钛矿结构,PZT薄膜晶粒尺寸在30-60 nm之间。PZT薄膜的硬度呈现出逆Hall-Petch关系,即硬度随晶粒的增大而增大。不同织构的铁电薄膜的压痕模量存在很大差异,实验和理论计算结果都显示:PZT薄膜的压痕模量满足M（100）TH < MPH < M111TH,而PLT薄膜的压痕模量符合M111TH<M100TH<M110TH。因此,织构对不同薄膜材料力学性能的影响并不相同;（3）采用Reuss、Voigt和VW模型研究多晶铁电薄膜的XRD应力分析的基本方程,推导相应的衍射弹性常数。针对（001）取向薄膜,利用压电本构方程导出了压电耦合对薄膜应力的贡献。采用不同模型计算了PZT薄膜和PLT薄膜的残余应力。结果表明,采用Reuss模型推导的εψ与sin2ψ呈线性关系,且依赖于所测量的晶面{hkl},而采用Voigt模型推导的εψ与sin2ψ关系呈线性但不依赖于测量晶面{hkl}。采用VW模型计算得到的数值结果显示,εψ与sin2ψ不再满足线性关系,且与选择测量的晶面{hkl}有关。溶胶—凝胶法制备的随机取向PZT薄膜的宏观残余应力为拉应力,采用VW模型计算得到PZT-C和PZT-D试样的残余应力分别为1.09GPa和0.79GPa。采用Reuss和VW模型计算所得的结果相接近。磁控溅射法制备的强织构的PLT薄膜的宏观残余应力为压应力,采用VRH模型计算得到的（100）、（110）和（111）三种不同织构的PLT薄膜的残余应力分别为-1.60GPa、-1.55GPa和-2.06GPa;（4）利用纳米压痕仪和AFM观测铁电薄膜在大载荷压入下的破坏行为,结合理论模型计算有效界面断裂韧性。通过有限元方法分析压入过程产生的应力场以及不同参数对压痕过程中PLT/Pt界面处应力分布的影响。结果表明,不同模型计算的PLT/Pt界面断裂韧性是不同的,采用VRH模型计算得到的（100）、（110）和（111）取向的PLT薄膜/Pt的界面断裂韧性分别为6.1J/m2、5.0J/m2和6.3J/m2。有限元计算结果表明,残余应力、屈服强度和取向对薄膜压痕过程中形成的应力场影响很大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 多晶铁电薄膜材料弹性性能研究
• 1.2.1 铁电薄膜材料
• 1.2.2 多晶铁电薄膜材料有效弹性性能的计算
• 1.2.3 多晶薄膜材料弹性性能实验研究
• 1.3 铁电薄膜材料残余应力研究现状
• 1.3.1 薄膜材料残余应力分类及来源
• 1.3.2 铁电薄膜材料残余应力测试的研究进展
• 1.4 薄膜材料断裂问题的研究进展
• 1.4.1 脆性薄膜材料断裂问题研究进展
• 1.4.2 薄膜基底材料屈曲分析研究进展
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 多晶薄膜材料的有效弹性性能
• 2.1 引言
• 2.2 多晶薄膜参考坐标系及取向平均
• 2.2.1 坐标系建立与坐标转换
• 2.2.2 取向分布函数
• 2.2.3 宏观等效性能
• 2.3 理论模型
• 2.3.1 Voigt模型
• 2.3.2 Reuss模型
• 2.3.3 Voigt-Reuss-Hill模型
• 2.3.4 Vook–Witt模型
• 2.4 数值计算与讨论
• 2.4.1 理想织构薄膜数值结果
• 2.4.2 织构弥散对多晶铁电薄膜力学性能的影响
• 2.5 本章小节
• 第3章 铁电多晶薄膜弹性性能的实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 铁电材料制备
• 3.2.1 溶胶凝胶制备PZT薄膜
• 3.2.2 磁控溅射制备PLT薄膜
• 3.3 铁电薄膜晶体结构及微观结构表征
• 3.3.1 PZT铁电薄膜物相分析
• 3.3.2 PZT薄膜织构分析
• 3.3.3 PZT薄膜相表面分析
• 3.3.4 PLT铁电薄膜相组成结构分析
• 3.4 压痕模量及硬度的实验研究
• 3.4.1 压痕模量及硬度的定义
• 3.4.2 PZT薄膜的力学性能
• 3.4.3 PLT薄膜的力学性能
• 3.5 本章小结
• 第4章 多晶铁电薄膜残余应力研究
• 4.1 引言
• 4.2 随机取向铁电薄膜残余应力的衍射分析
• 4.3 理想织构铁电薄膜残余应力的衍射分析
• 4.3.1 晶面族方法
• 4.3.2 基于VRH的平均方法
• 4.3.3 考虑压电效应影响的理想织构薄膜衍射分析
• 4.4 考虑织构弥散的铁电薄膜的衍射分析
• 4.4.1 取向分布函数的影响
• 4.4.2 几种模型的数值分析
• 4.5 溶胶凝胶制备的PZT薄膜残余应力分析
• 4.6 磁控溅射制备的PLT薄膜残余应力分析
• 4.7 本章小节
• 第5章 多晶铁电薄膜的破坏分析
• 5.1 引言
• 5.2 多晶铁电薄膜大载荷压痕的实验研究
• 5.2.1 大载荷压痕下PLT薄膜的崩裂分析
• 5.2.2 界面断裂韧性计算
• 5.3 有限元模拟压痕过程
• 5.3.1 模型建立与分析
• 5.3.2 各向同性PLT薄膜的应力应变场
• 5.3.3 铁电薄膜残余应力对薄膜压痕过程的影响
• 5.3.4 电极层塑性性能对薄膜压痕过程的影响
• 5.3.5 不同取向薄膜压痕过程分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历