中国电子元件行业协会
China Electronic Components Association
锆钛酸铅（Lead Zirconate Titanate, PZT）是一种因其优异的压电和铁电性能而广泛应用于微电子、传感器、执行器、换能器等领域的功能材料。近年来，稀土掺杂改性 PZT 材料的研究逐渐成为热点。稀土元素因其独特的离子半径和化学价态，能够替代晶格中的原有离子，导致晶格畸变，从而影响 PZT 薄膜的性能。特别是，钐（Samarium，Sm）离子的掺杂在铅基铁电材料中表现出了显著的超高压电响应，近年来这一现象引起了广泛关注。
中国科学院声学研究所超声学实验室李俊红研究员及其指导的博士生遆金铭采用溶胶-凝胶工艺制备了不同掺杂浓度（0、0.5、1、1.5、2、3 mol%）的Sm-PZT薄膜，系统地研究了不同钐掺杂浓度对PZT薄膜的表面形貌、致密度、晶体结构、压电性能、介电性能和铁电性能的影响。
研究结果显示，钐掺杂促进了PZT薄膜晶粒的生长，显著提高了其压电系数d33和剩余极化Pr。此前关于钐掺杂PZT陶瓷的研究结果显示，钐掺杂会抑制PZT陶瓷的晶粒生长，而本文的研究则表明，在薄膜状态下，Sm-PZT薄膜的表现与陶瓷不同，薄膜界面和生长基底对PZT薄膜的晶体生长有重要影响，钐掺杂会促进PZT薄膜的晶粒生长。同时，钐掺杂可以显著提高PZT薄膜的压电系数d33。这项研究中制备的Sm-PZT薄膜（1.5 mol%）表现出了高达279.87 pm/V的压电系数d33。研究还发现，钐掺杂可以提高PZT薄膜的剩余极化Pr，并对矫顽场有一定改善作用。
图1 Sm-PZT薄膜后处理工艺流程
图2 Sm-PZT薄膜晶粒尺寸分布图(a)Sm=0 mol%;(b) Sm =0.5 mol%;(c) Sm =1 mol%;(d) Sm =1.5 mol%;(e) Sm =2 mol%;(f) Sm =3 mol%.
图3 Sm-PZT薄膜的平均晶粒尺寸
图4 Sm-PZT薄膜压电系数d33
图5 Sm-PZT薄膜压电系数d33
图6 Sm-PZT薄膜的电滞回线
图7 Sm-PZT薄膜的剩余极化Pr与矫顽场Ec
团队介绍
遆金铭，中国科学院声学研究所博士研究生，研究方向为压电薄膜与聚焦超声换能器。以第一作者在J APPL PHYS、J ALLOYS COMPD、APPL PHYS A、ECS J SOLID STATE SCI TECHNOL等期刊发表论文5篇。
李俊红，中国科学院声学研究所研究员、博士生导师，超声学实验室副主任。主要研究领域为声学MEMS、压电薄膜和高频压电换能器等。获国家重点研发计划、国家自然科学基金委重点与面上项目、预研重点项目、中国科学院重点部署项目等科研项目资助。在SENSOR ACTUAT A-PHYS、SMART MATER STRUCT、J ALLOYS COMPD、CERAM INT等国际国内期刊发表论文60余篇，授权发明专利18项。
