摘要
随着压电与热释电微机电系统（MEMS）及阵列技术的快速发展，核心的功能薄膜阵元尺寸进一步减小，建立相应的微观模型，制备出不同横向尺寸的薄膜阵元，探索薄膜横向尺寸效应对其介电、压电、热释电性能的影响规律，将对MEMS阵列发展具有十分重要的意义。本论文通过有限元分析法研究了新一代铅基弛豫铁电体Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（PIMNT）薄膜和两个代表性无铅弛豫铁电体系钛酸铋钠和铌酸钾钠系列薄膜的横向尺寸效应，并在实验上开展了不同横向PIMNT薄膜阵元的微加工制备与测试，旨在揭示面向一维和二维集成传感器应用中压电、介电和热释电响应的横向尺寸效应。研究内容与结果如下： 围绕PIMNT薄膜阵元，通过COMSOL仿真了不同阵元形状（对应一维线阵和二维面阵单元）和结晶学取向的薄膜横向尺寸效应。结果表明：当宽厚比（宽度与厚度之比）从100减小到0.01时，对于＜001＞方向的PIMNT，压电和介电常数均显著增加，而对于＜111＞方向的PIMNT，压电和介电常数增加较为平缓，一维和二维PIMNT阵列单元响应与结晶学方向密切相关。对于＜110＞方向的PIMNT，当横向尺寸减小时，由于不同的机械边界条件，二维面阵PIMNT阵元的增加比一维长条形阵元更明显。沿＜111＞方向的两种阵元的热释电系数从8.5×10-4C/(m2·K)下降到约8.0×10-4C/(m2·K)，各向异性较弱。 实验上利用脉冲激光沉积法在SrTiO3单晶衬底上首先生长了SrRuO3导电缓冲层，并在此基础上进一步制备了铁电、介电性能优良的PIMNT薄膜，1kHz下介电常数为2824，55kV/mm的电场强度下剩余极化强度Pr为28.2μC/cm2，矫顽场Ec为33kV/mm。通过飞秒激光微加工制备了不同横向尺寸的PIMNT长条形阵元，结果表明：随着横向尺寸的减小，PIMNT薄膜的介电和铁电性能增强。 在铅基体系的基础上，进一步利用有限元分析法研究了K0.8Na0.2NbO3(KNN)和0.95(Na0.5Bi0.5)TiO3-0.05BaTiO3(NBBT)两个代表性的无铅弛豫铁电体，探究了两个无铅体系下横向尺寸效应对电学性能的影响。在压电性能方面，随着横向尺寸的减小，KNN薄膜阵元和NBBT薄膜阵元的d33都先缓慢增加，当宽厚比小于10∶1后迅速增大，二维面阵的压电响应强于一维线阵，表现出形状依赖性，随着横向尺从100μm减小到0.01μm，KNN薄膜阵元的d33增长约24%，NBBT薄膜阵元的d33增长88%-130%。在介电性能方面，随着横向尺寸的减小，KNN薄膜阵元和NBBT薄膜阵元的介电常数也随之增加，趋势与d33相似，但当横向尺寸减小到0.05μm时，KNN薄膜阵元的介电常数增长至1462，相较横向尺寸为100μm时，增大了4倍，这些结果为无铅弛豫铁电薄膜在MEMS技术中应用提供了指导。
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