本論文以溶膠－凝膠法製備鈦酸鉛鎂[(Pb1-xMgx)TiO3，簡稱PMT]焦電薄膜以作為紅外線感測元件之應用；以旋鍍法將薄膜沈積於Pt/SiO2/Si(100)基板上，同時選擇1,3丙二醇為溶劑以減少達到薄膜所需厚度之披覆次數，並改變Mg的含量(0~10 mol％)及熱處理溫度(500~800℃)，探討不同製程參數對薄膜成長之影響，且藉由Mg組成成分的改變探討其對焦電紅外線感測元件響應的影響。
實驗結果顯示，薄膜中Mg含量的多寡直接影響到PMT薄膜的晶粒大小、介電性、鐵電性及焦電性，隨Mg含量的增加，PMT薄膜的晶粒會有變小而緻密的趨勢，且PMT薄膜的Tetragonality(c/a)會相對變小，當鎂含量超出8 mol%時PMT薄膜的晶體結構會從tetragonal變成cubic。在電性方面，相對介電常數從25增加到91，介電損失從0.0008增加到0.0021，而矯頑電場從80 KV/cm下降到25 KV/cm，殘留極化量從8.7

The Mg-modified lead titanate [(Pb1-xMgx)TiO3,abbreviated to PMT] thin films were deposited on Pt/SiO2/Si substrates by spin coating with sol-gel processing in this thesis. 1,3 propanediol was used as solvent to minimize the number of cycles of spin coating and drying processes to obtain the desired thickness of thin film. By changing the Mg content (0~10 mol%) and the heating temperature (500~800℃), the effects of various processing parameters on the thin films growth are studied. The effects of various Mg contents on the response of pyroelectric IR detector devices are studied also.
Experimental results reveal that the Mg contents will influence strongly on grain size, dielectricity, ferroelectricity and pyroelectricity of PMT thin films. With the increase of Mg content, the grain size of PMT thin film decrease slightly, and the lattice structure of PMT thin film will change from tetragonal to cubic when the Mg content over 8 mole%. The relative dielectric constant of PMT thin film increases from 25 up to 91. The tan

第一章 前言 1

第二章 理論 4
2.1、鈦酸鉛鑭(PMT)的基本結構 4
2.2、鐵電現象 4
2.3、溶膠－凝膠法 5
2.4、焦電現象 8
2.5、焦電型感測元件 9
2. 6、濺鍍原理 15

第三章 實驗方法 17
3.1、起始溶液的研製與調配 17
3.2、薄膜的製作 19
3.3、熱處理過程 21
3.4、薄膜性質分析 22
3.5、感測元件的製作 24

第四章 結果與討論 26
4.1、溶液的分析 26
4.2、膜厚分析 27
4.3、結晶方向分析 28
4.4、表面結構分析 29
4.5、電性量測 30
4.6、二次離子質譜儀(SIMS)分析 31
4.7、焦電特性量測 32
4.8、感測元件特性量測 32

第五章 結論 36

參考文獻 38
圖表目錄

圖1-1、各種光導體和光二極體隨波長變化的檢測度 D值 43

圖2-1、鈦酸鉛之晶體結構；(a)頂視圖 (b)立體圖 44

圖2-2、鐵電材料之遲滯曲線 45

圖2-3、旋轉塗佈薄膜之步驟 46

圖2-4、焦電效應 47

圖2-5、一般焦電偵測系統 48

圖2-6、直流輝光放電結構與電位分佈圖 49

圖3-1、直流濺鍍系統結構圖 50

圖3-2、PMT薄膜製備流程圖 51

圖3-3、(a)感測器所用之金屬遮罩圖,(b)單一元件架構 52

圖4-1、PMT(2)溶液之熱重分析與熱差分析圖 53

圖4-2、PMT(6)薄膜重覆四次塗佈後，燒結溫度700℃之SEM剖面圖 54

圖4-3、以不同溫度燒結的PMT(6)之XRD圖形, (a)500℃, (b)600℃, (c)700℃, (d)800℃ 55

圖4-4、熱處理溫度為700℃下，不同Mg含量之PMT薄膜的XRD圖形(a)PMT(0), (b)PMT(2), (c)PMT(4), (d)PMT(6), (e)PMT(8) 56

圖4-5、(a)PMT薄膜其晶格常數與不同Mg組成成份的關係圖,(b)PMT薄膜其Tetragonality與不同Mg組成成份的關係圖 57

圖4-6、不同熱處理溫度下PMT(6)的SEM圖形, (a)500℃, (b)600℃, (c)700℃, (d)800℃ 58

圖4-7、在700℃下不同Mg含量之PMT薄膜SEM圖形, (a)PMT(0), (b)PMT(2), (c)PMT(4), (d) PMT(6), (d)PMT(8) 59

圖4-8、頻率為10KHz，熱處理溫度為700℃下，不同Mg含量之PMT薄膜電容對電壓的關係圖, (a)PMT(0), (b)PMT(2), (c)PMT(4), (d)PMT(6), (e)PMT(8) 60

圖4-9、頻率為10KHz，熱處理溫度為700℃下，不同Mg含量之PMT薄膜對相對介電常數的關係圖 61

圖4-10、頻率為10KHz，熱處理溫度為700℃下，不同Mg含量之PMT薄膜對介電損失的關係圖 62

圖4-11、不同Mg含量之PMT薄膜電流密度對電場的關係圖 63

圖4-12、Sawyer and Tower 電路 64

圖4-13、熱處理溫度為700℃下，不同Mg含量之PMT薄膜遲滯曲線, (a)PMT(2), (b)PMT(4), (c)PMT(6), (d)PMT(8) 65

圖4-14、熱處理溫度為700℃下，不同Mg含量之PMT薄膜對矯頑電場及殘留極化的關係圖 66

圖4-15、PMT(6)薄膜的SIMS圖 67

圖4-16、焦電電流測量系統圖 68

圖4-17、熱處理溫度為700℃下，不同Mg含量之PMT薄膜對焦電係數的關係圖 69

圖4-18、熱處理溫度為700℃下，不同Mg含量之PMT薄膜對優值(Fv&Fm)的關係圖 70

圖4-19、焦電薄膜感測元件測試系統 71

圖4-20、PMT(0)薄膜感測元件之電壓響應與電流響應對截光頻率的關係圖 72

圖4-21、PMT(2)薄膜感測元件之電壓響應與電流響應對截光頻率的關係圖 73

圖4-22、PMT(4)薄膜感測元件之電壓響應與電流響應對截光頻率的關係圖 74

圖4-23、PMT(6)薄膜感測元件之電壓響應與電流響應對截光頻率的關係圖 75

圖4-24、PMT(8)薄膜感測元件之電壓響應與電流響應對截光頻率的關係圖 76

圖4-25、在截光頻率為20Hz時，電壓響應對不同Mg組成成分之PMT薄膜的關係圖 77

圖4-26、不同Mg含量之PMT薄膜感測元件，其雜訊電壓對截光頻率之關係圖 78

圖4-27、PMT(0)薄膜感測元件之雜訊等效功率與比感測率對截光頻率的關係圖 79

圖4-28、PMT(2)薄膜感測元件之雜訊等效功率與比感測率對截光頻率的關係圖 80

圖4-29、PMT(4)薄膜感測元件之雜訊等效功率與比感測率對截光頻率的關係圖 81

圖4-30、PMT(6)薄膜感測元件之雜訊等效功率與比感測率對截光頻率的關係圖 82

圖4-31、PMT(8)薄膜感測元件之雜訊等效功率與比感測率對截光頻率的關係圖 83

圖4-32、黑體爐溫度1000K與截光頻率100Hz下，PMT薄膜感測元件之比感測率與Mg組成成分的關係圖 84

表1-1、不同成長鐵電性薄膜方法之比較

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