射频磁控溅射沉积条件对PMN-PT压电薄膜相形成及性能的影响研究

为解决传统PZT压电薄膜性能瓶颈问题，研究人员通过射频磁控溅射(RF Magnetron Sputtering)在铂硅基底上生长PMN-PT薄膜，系统研究了沉积温度、氧分压等参数对薄膜相纯度和性能的影响。结果表明，优化条件可获得无焦绿石相的纯钙钛矿结构，其铁电性能(Ps=57.84 μC/cm2 )和介电性能(ε=1586)较传统材料提升两个数量级，为新一代Piezo-MEMS器件开发奠定基础。

　　

随着物联网(IoT)、5G移动网络和芯片实验室(lab-on-chip)技术的快速发展，对高性能压电微机电系统(Piezo-MEMS)器件的需求日益迫切。传统锆钛酸铅(PZT)压电薄膜虽广泛应用，但其性能已接近理论极限，难以满足新一代器件对灵敏度与能效的苛刻要求。在此背景下，具有超高压电系数的弛豫铁电材料PMN-PT（铌镁酸铅-钛酸铅）成为研究热点，但其薄膜制备面临相纯度控制难题——热力学稳定的焦绿石相(pyrochlore)易混入，导致性能急剧劣化。更棘手的是，在工业界主流的铂硅(Pt/Ti/SiO₂
/Si)基底上，既要避免高温沉积导致的铅挥发，又要保证结晶质量，此前研究多依赖复杂模板层或退火工艺，增加了制造复杂度。

针对这一挑战，来自国防科技工业局某研究所的研究团队通过系统优化射频磁控溅射(RF Magnetron Sputtering)工艺参数，首次在不使用种子层的铂硅基底上直接生长出纯钙钛矿相的PMN-PT薄膜，其铁电与介电性能较传统材料提升两个数量级。这项突破性成果发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》，为简化Piezo-MEMS器件制造流程提供了新思路。

研究采用射频磁控溅射技术，在添加10%过量PbO的PMN-PT靶材(67/33组分)上，通过调控基底温度(400-700°C)、靶基距(50-80mm)、工作压力(0.3-1.0Pa)和氧氩比(10-30%)等关键参数沉积薄膜。利用X射线衍射(XRD)分析相结构，扫描电镜(SEM)观察形貌，并通过铁电测试仪和阻抗分析仪分别测量铁电性(Ps、Pr、Ec)和介电性(ε、tanδ)。

结构表征
XRD结果显示基底温度与氧分压是决定相纯度的核心因素。当温度达650°C且氧氩比为20%时，薄膜呈现单一(110)取向的钙钛矿相，完全抑制了焦绿石相生成。SEM观察到该条件下薄膜致密无裂纹，晶粒尺寸均匀(约150nm)，与基底界面结合良好。

性能优化
最优样品展现出卓越的综合性能：剩余极化强度Pr=16.22 μC/cm²
，矫顽场Ec=41.18 kV/cm，介电常数ε达1586(1kHz)，损耗角正切tanδ仅0.1。尤其值得注意的是，其漏电流密度低至10^-6
A/cm²
，远优于文献报道的PZT薄膜。

结论与意义
该研究首次阐明了射频溅射参数与PMN-PT薄膜性能的定量关系，证明通过精确控制沉积动力学过程可直接获得相纯薄膜，无需后续退火或缓冲层。这一发现不仅解决了铂硅基底上PMN-PT薄膜的工业化制备难题，其揭示的"氧分压-基底温度"协同调控机制更为其他复杂氧化物薄膜生长提供了普适性指导。所获薄膜的超高灵敏度特性，有望推动超声成像、能量收集等Piezo-MEMS器件性能的跨越式发展。