Preparation of PZT and PLZT thin films on different substrates by sol-gel spin coating methods and investigation of their properties

Abstract

Piezoelektrik ve elektro-optik malzemeler uzun süredir araştırılmakta ve kullanılmaktadır. Bu malzemelerin ince film formları kütlesel forma göre daha yüksek özellikler sergilemektedir. Özellikle kurşun esaslı sistemler toksik olma sorunlarına rağmen tercih edilmektedir. Bu çalışmada Kurşun Zirkonat Titanat (PZT) ve Kurşun Lantan Zirkonat Titanat (PLZT) ince filmlerin farklı kompozisyonlarda çeşitli altlıklar üzerine sol-jel spin kaplama yöntemiyle kaplanması ve bu parametrelerin malzeme özelliklerine etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. PZT kompozisyonları belirlenen miktarda kurşun fazlası ile hazırlanmış, saf perovskit fazının eldesi için farklı sıcaklıklarda tavlanmıştır. Ayrıca PLZT kompozisyonları seçilen lantan içeriği ve belirlenen miktarda kurşun fazlası ile hazırlanmıştır. Farklı sıcaklık koşullarında tavlama işlemi PLZT filmler için de uygulanmıştır. Filmler platin kaplı silisyum (Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)) ve bir saydam iletken oksit olan galyum doplanmış çinko oksit (GZO) kaplı cam altlıklar üzerine kaplanmıştır. Filmler 5 katman olarak hazırlanmış ve kaplama aşamalarının arasında farklı sıcaklık ve zaman koşullarında ısıl işlem uygulanarak kristalizasyonun sağlanması amaçlanmıştır. Isıl işlem ve tavlama koşullarının kristalinite üzerine olan etkisi X-ışını kırınım desenleri (XRD) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizleri ile incelenmiştir. UV-Vis ölçümleri GZO kaplı cam altlıklara kaplanan filmlerin geçirgenlik, absorbsiyon gibi optik özelliklerinin karakterizasyonu için gerçekleştirilmiştir. Filmlerin üzerine elektrot oluşturulması için RF manyetik sıçratma yöntemiyle platin sıçratılmış ve platin kaplı silisyum altlıklar üzerinde üretilen filmlere üç farklı çapta kaplanmıştır. Akım-voltaj (I-V) ölçümleri, sıcaklığa bağlı dielektrik ölçümler ve piezo kuvvet mikroskobu analizleri filmlerin elektriksel özelliklerinin karakterizasyonu için tamamlanmıştır.Piezoelectric and electrooptic materials have been used and researched for a long time. Thin film form of these materials possesses higher properties compared to its bulk form and especially lead-based systems are more preferred despite its toxicity. The aim of this study is to prepare the Lead Zirconate Titanate (PZT) and Lead Lanthanum Zirconate Titanate (PLZT) thin films with different compositions on different substrates by using sol-gel spin coating technique to determine the effect of these parameters on the material properties. In this study, PZT compositions were prepared with the specific amount of excess lead and, the films were annealed at various temperatures to obtain the pure perovskite phase. PLZT compositions were prepared with selected lanthanum content and again specific amount of excess lead. Annealing conditions were variable to obtain the phase for PLZT films. PZT and PLZT films were coated on platinum coated silicon substrates (Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)) and gallium-doped zinc oxide (GZO) coated glass substrates as a transparent conductive oxide (TCO). Thin films were prepared as the five-layered structure and between the coating steps, pyrolysis steps were carried out to the films for crystallization at various temperature and time. Effect of pyrolysis, annealing temperature and time on crystallinity were characterized by X-ray diffraction patterns (XRD) and scanning electron microscope (SEM) analyses. UV-Vis measurements were also done for the films coated on GZO coated glass substrates to characterize the optical properties of the films such as transparency, absorption. Platinum were sputtered to the films as an electrode by using RF magnetron sputtering method and electrodes with different diameters were coated on the films synthesized on platinum coated silicon substrates. Current-voltage (I-V) measurements, temperature dependent dielectric measurements and piezo response force microscope (PRFM) analyses were carried out to characterize the electrical properties of the films.