铁电薄膜具有优良的性能,如铁电性、压电性、热释电性、介电性、非线性光学性质以及电光学性质,使其在微电子和光电子学、大数据、移动计算和微机械等多个核心和新兴领域有着愈发广阔的应用。锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3 orPZT)是铁电薄膜研究的关键材料之一,其自身铁电、压电和热释电性能优异,居里温度较高,易于掺杂并具有良好的稳定性,使其成为科研和商业应用最广泛的铁电材料之一。但PZT薄膜磁控溅射法制备温度较高,因此若能降低PZT薄膜的制备温度,则能使其更好地与CMOS-Si技术相集成从而在应用方面具有关键指导意义。BaTiO3与PZT材料具有相似的钙钛矿结构,BaTiO3的介电损耗和漏电流小并具有良好的铁电性,并且其低温制备工艺已经较完善。我们将PZT和BaTi03两种材料相互整合制备成双层薄膜材料,通过PZT和BaTiO3间的极化耦合作用及由底电极层与BaTiO3层形成的空间电荷层的相互作用,使得材料间的特性“优势互补”,从而得到电性能优异的双层铁电薄膜。在实验研究方面,本文利用多靶射频溅射沉积系统在中低温下(350℃、500℃)制备出PZT/BaTiO3双层铁电薄膜和PZT单层铁电薄膜,后经快速退火工艺(RTP)后得到了电性能优异的PZT单双层铁电薄膜。本文具体研究内容如下:1.PZT/BaTiO3双层铁电薄膜的制备及性能表征(1)中低温下PZT/BaTiO3双层薄膜的性能研究。探究出500℃是PZT/BaTiO3双层薄膜的原位生长温度,并找到350℃低温结合后期快速退火工艺(RTP)的PZT低温制备温度,并得到此低温PZT薄膜优异的电学性能。(2)PZT/BaTiO3双层薄膜体现出PZT材料和BaTiO3材料的综合特性,即PZT/BaTiO3双层薄膜与PZT单层薄膜相比:PZT/BaTiO3双层薄膜电滞回线更加细长、耐压性明显提高但是极化强度降低、漏电流和介电常数都明显减小。(3)固定PZT/BaTiO3双层薄膜总厚度,探究出随着BaTiO3层比例的增加,电滞回线的形状更加细长,即击穿场强明显增大而极化强度有显著降低,漏电流密度随双层膜中BaTiO3层厚度的增大呈下降趋势。2.PZT单层铁电薄膜的中低温制备及性能表征(1)在350℃的低温下制备的PZT薄膜样品在退火后极易极化,表明其良好的铁电性,这与PZT薄膜在退火后依然保持的细晶粒有关。另外通过不同频率的铁电测试发现此PZT薄膜样品退火后的等效电路是一个由线性和非线性电容器以及理想的铁电体组成的并联电路。(2)350℃下的PZT薄膜快速退火后表现出极优异的压电性能,在6V-20V-6V的一个循环测试中,其横向压电系数|e31,f|在14.1-15.8C/m2之间,品质因数FOM为 18.26-22.93GPa。(3)低温下制备的PZT薄膜样品退火后疲劳特性良好,经过108循环仍能保持良好的铁电性能。108循环后±Pr分别降到初始值的~78%和~74%。