本論文以溶膠－凝膠法及快速熱處理技術製備鈮鉭酸鋰[LiNb1-x TaxO3，簡稱LNT]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/Ti/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Ta的含量(x=0~1)，探討不同製程參數對薄膜成長之影響，且藉由Ta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Ta含量的多寡直接影響到LNT薄膜的晶粒大小、介電性、鐵電性、及焦電性，隨Ta含量的增加，LNT薄膜的晶粒會有變小而緻密的趨勢。在結晶特性方面，c軸排向在x=0.2時會有大強度。在電性方面，隨著Ta的增加，相對介電常數由33上升至62，介電損失由0.00374增加至 0.00686，而矯頑電場從81.09KV/cm下降到32.07KV/cm，殘留極化量由8.48μC/cm2下降至2.2μC/cm2，焦電係數γ則從2.76×10-8C/cm2K上升至4.51×10-8 C/cm2K。另一方面，實驗結果也顯示在熱處理溫度700℃下，Ta含量為20mol％之LNT薄膜具有最大之優值Fv及Fm，其分別為2.66×10-10 及2.57×10-8 Ccm/J；且隨著Ta含量增加至20mol％時，將會使電壓響應在截波頻率為70Hz時達到最大值7020V/W，比感測率在截波頻率為200Hz時，隨著Ta含量的增加，在LNT（20）時會得到最大值7.76×107cmHz1/2/W；由結果顯示，電壓響度和比感測率皆在Ta含量為20mol％時具有最大值，此與優值(Fv及Fm)評估相符合；因此，本研究中以LNT（20）薄膜最適合紅外線感測元件之應用。

The Ta-modified niobate lithium [LiNb1-xTaxO3, abbreviated to LNT] thin films were deposited on Pt/Ti/SiO2/Si substrates by spin coating with sol-gel technology and rapid thermal 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 Ta content (x=0~1), the effects of various processing parameters on the thin films growth are studied. The effects of various Ta content on the response of pyroelectric IR detector devices are studied also.
Experimental results reveal that the Ta content will influence strongly on grain size, dielectricity, ferroelectricity and pyroelectricity of LNT thin films. With the increase of Ta content, the grain size of LNT thin film decreases slightly, and highly c-axis orientated LNT films have been obtained for x=0.2. With the increase of Ta content, The relative dielectric constant of LNT thin film increases from 33 up to 62. The dielectric loss (tand) increases from 0.00374 to 0.00686,Coercive Field (Ec) decreases from 81.09KV/cm to 32.07KV/cm, and Remanent polarization (Pr) decreases from 8.48 mC/cm2 to 2.2 mC/cm2, pyroelctric coefficient (g) increases from 2.76´10-8 C/cm2K up to 4.51´10-8 C/cm2K with an increase of Ta content. In addition, the results also show that the LNT thin film possesses the largest figures of merit Fv (2.66×10-10 Ccm/J) and Fm (2.57×10-8 Ccm/J) at the heating temperature of 700℃ and Ta content of 20mol%. The voltage responsivities (Rv) measured at 70 Hz has a largest value of 7020 V/W with the Ta content of 20mol%. The specific detectivity (D*) measured at 200 Hz has the maximum value of 7.76×107 cmHz1/2/W with the Ta content of 20mol%. The results show that LNT(20) pyroelectric thin film detector exists both the maximums of voltage responsivity and specific detecivity. Therefore, optimizing the conditions of this study, LNT(20) thin film will be the most suitable for IR detector application.

摘要 I

目錄 Ⅴ

圖表目錄 VII

第一章 前言 1

第二章 理論 4
2.1 溶膠-凝膠法 4
2.2 鈮酸鋰(LN)和鉭酸鋰(LT)的基本結構 7
2.3 鐵電現象 7
2.4 焦電現象 8
2.5 焦電感測元件 10
2.6 濺鍍原理 16

第三章 實驗 18
3.1 起始溶液的研製與調配 18
3.2 薄膜的製作 20
3.3 熱處理過程 22
3.4 薄膜性質分析 24
3.5 電性量測 26
3.6 感測元件的製作 26

第四章 結果與討論 27
4.1 溶液的分析 27
4.2 膜厚分析 28
4.3 結晶方向分析 28
4.4 薄膜表面結構分析 29
4.5 電性量測 29
4.6 焦電特性量測 32
4.7 感測元件特性量測 32

第五章 結論 37

參考文獻 39

圖 表 目 錄
表1 鈮酸鋰和鉭酸鋰的基本特性比較 44
表2 常見焦電材料之基本參數 45
圖1-1焦電型和量子型兩者對不同波長的偵測度變化比較圖 46
圖2-1旋轉塗佈薄膜的步驟 47
圖2-2鈮酸鋰的基本結構 48
圖2-3鐵電材料之遲滯曲線 49
圖2-4焦電效應 50
圖2-5一般焦電偵測系統 51
圖2-6感測器電壓響應和頻率的關係圖 52
圖2-7直流輝光放電結構與電位分佈圖 53
圖3-1直流濺鍍系統結構圖 54
圖3-2 LNT薄膜製備流程圖 55
圖3-3 (a)感測器所用之金屬遮罩圖,及(b)單一元件架構 56
圖4-1 LNT(20)溶液之熱重分析與熱差分析圖 57
圖4-2 燒結溫度700℃下，LNT（20）薄膜重複6次塗佈後之SEM剖面圖（圖中Bar為0.5μm） 58
圖4-3 熱處理溫度700℃下，不同Ta含量之LNT薄膜的XRD圖形 59
圖4-4 LNT薄膜之晶格常數和不同Ta成分的關係圖 60
圖4-5 熱處理溫度700℃下，不同Ta含量下之SEM圖形 61
圖4-6 在頻率10KHz、熱處理溫度700℃下，不同Ta含量之LNT薄膜和相對介電常數以及介電損失的關係圖 62
圖4-7 不同Ta含量之LNT薄膜在熱處理溫度700℃下，其頻率和相對介電常數的關係圖 63
圖4-8 熱處理溫度700℃之不同Ta含量下，LNT薄膜介電損失和頻率的關係圖 64
圖4-9 不同Ta含量下其漏電流密度對電場的關係圖 65
圖4-10 Sawyer-Tower 電路 66
圖4-11 熱處理溫度700℃下，不同Ta比例的LNT薄膜遲滯曲線 67
圖4-12不同Ta含量下之LNT薄膜其矯頑電場與殘留極化量的關係圖 68
圖4-13 焦電電流量測系統 69
圖4-14 熱處理溫度700℃下，不同Ta含量下LNT薄膜和焦電係數的關係圖 70
圖4-15 不同Ta含量之LNT薄膜對優值(Fv&Fm)的關係圖 71
圖4-16 焦電薄膜感測元件測試系統 72
圖4-17 LN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4-18 LNT(20)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4-19 LNT(40)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4-20 LNT(60)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4-21 LNT(80)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 77
圖4-22 LT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 78
圖4-23 在截光頻率為70Hz時，電壓響應對不同Ta比例組成之LNT薄膜感測元件之關係圖 79
圖4-24 不同Ta含量之LNT薄膜感測元件，其雜訊電壓對截光頻率的關係圖 80
圖4-25 LN薄膜感測元件之雜訊等效功率和比感測率對截光頻率的關係圖 81
圖4-26 LNT（20）薄膜感測元件之雜訊等效功率和 比感測率對截光頻率的關係圖 82
圖4-27 LNT（40）薄膜感測元件之雜訊等效功率和比感測率對截光頻率的關係圖 83
圖4-28 LNT（60）薄膜感測元件之雜訊等效功率和比感測率對截光頻率的關係圖 84
圖4-29 LNT（80）薄膜感測元件之雜訊等效功率和比感測率對截光頻率的關係圖 85
圖4-30 LT薄膜感測元件之雜訊等效功率和比感測率對截光頻率的關係圖 86
圖4-31 黑體爐溫度1000K與截光頻率200Hz下，LNT薄膜感測元件其不同Ta組成成分和比感測率的關係圖 87

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