Responsive image
博碩士論文 etd-0705101-145629 詳細資訊
Title page for etd-0705101-145629
論文名稱
Title
雙層(聚偏二氟乙烯/鈦酸鉛)薄膜型焦電感測器之研究
The Study of (Polyvinylidene Fluoride / Lead Titanate) Pyroelectric Bilayer Thin Film Detectors
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
107
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2001-06-29
繳交日期
Date of Submission
2001-07-05
關鍵字
Keywords
焦電、鈦酸鉛、聚偏二氟乙烯、薄膜、感測元件、溶膠-凝膠法
pyroelectric, lead titanate, PVDF, thin films, detectors, sol-gel
統計
Statistics
本論文已被瀏覽 5697 次,被下載 7347
The thesis/dissertation has been browsed 5697 times, has been downloaded 7347 times.
中文摘要
本論文採用溶膠—凝膠法之技術,以具有低介電常數及高焦電係數之鈦酸鉛(PbTiO3)材料為基礎,以旋鍍法將PVDF薄膜沈積於PbTiO3/Pt(111)/SiO2/Si(100)基板上,製備具低漏電流之雙層(PVDF/PbTiO3)焦電陶瓷薄膜與感測元件。製程中選擇1,3-丙二醇為溶劑,以減少達到PbTiO3薄膜所需厚度之披覆次數;並改變PVDF溶液濃度(0.6M~1.0M)及PVDF薄膜厚度(50nm~580nm),以探討不同製程參數對雙層薄膜成長及焦電紅外線感測元件響應之影響。
實驗結果顯示, PVDF薄膜厚度直接影響到雙層薄膜之介電性、漏電流、鐵電性與焦電性,隨PVDF薄膜厚度之增加,相對介電常數由63減少至20,介電損失從0.00152增加到0.0024,漏電流從1.54x10-6 A/cm2下降到3.86x10-7 A/cm2,矯頑電場從70.7 KV/cm下降到35 KV/cm,殘留極化量從6.29 μC/cm2下降到1.14 μC /cm2,焦電係數γ則由22.5x10-9 C/cm2K下降到6.85 x10-9 C/cm2K。另一方面,實驗結果亦顯示,PVDF薄膜厚度為80nm時,具有最大優值Fv為1.31x10-10 Ccm/J,而隨著PVDF厚度之增加Fm會由2.26 x10-8 Ccm/J下降至1.07x10-8 Ccm/J;且隨著PVDF薄膜厚度的增加,將會使電壓響應在截波頻率為20Hz時,由未沈積PVDF薄膜的1383 V/W下降至PVDF薄膜厚度為580nm的804 V/W,比感測率在截波頻率為100Hz時,由未沈積PVDF薄膜的2.72x107 cmHz1/2/W下降到PVDF厚度為580nm的1.71x107 cmHz1/2/W;並藉由D*/J的計算,結果顯示在PVDF薄膜厚度為165nm時具有最佳的特性;因此本研究中以PVDF薄膜厚度為165nm的雙層薄膜最適合紅外線感測元件之應用。
Abstract
The pyroelectric ceramic thin films and detectors based on PbTiO3[abbreviated to PT] that exhibit a low dielectric constant and a high pyroelectric coefficient, which were fabricated by a sol-gel method in this thesis. The (PVDF/PT) pyroelectric bilayer thin films with low leakage current were deposited on PbTiO3/Pt/SiO2/Si substrates by the spin coating. 1,3 propanediol was used as solvent to minimize the number of cycles of the spin coating and drying processes to obtain the desired thickness of PbTiO3 thin film. By changing the concentrations of PVDF solutions (0.6M~1.0M) and thickness of PVDF thin films (50nm~580nm), the effects of various processing parameters on the bilayer thin films growth and the response of pyroelectric infrared detector device are studied.
Experimental results reveal that the thickness of PVDF thin films will influence strongly on dielectricity, ferroelectricity, leakage current and pyroelectricity of (PVDF/PT) bilayer thin films. With the increase of the thickness of PVDF thin films, the relative dielectric constant of (PVDF/PT) bilayer thin films decrease from 63 to 20. The tanδ increases from 0.00152 to 0.0024, leakage current decreases from 1.54x10-6 A/cm2 to 3.86x10-7 A/cm2, Ec decreases from 70.7 KV/cm to 35 KV/cm, Pr decreases from 6.29 μC/cm2 to 1.14 μC/cm2, and γ decreases from 22.5x10-9 C/cm2K to 6.8 x10-9 C/cm2K with an increase of the thickness of PVDF thin film. In addition, the results also show that the largest figure of merit Fv is 1.31x10-10 Ccm/J as the thickness of PVDF thin film is 80nm. With the increase of the thickness of PVDF thin film, the figure of merit Fm decreases from 2.26x10-8 Ccm/J to 1.07x10-8 Ccm/J. The voltage responsivities (Rv) measured at 20 Hz decrease from 1383 V/W to 804 V/W and the specific detectivities (D*) measured at 100Hz decrease from 2.72x107 cmHz1/2/W to 1.71x107 cmHz1/2/W. From the result of D*/J, the result shows the device possesses the best property as the thickness of the PVDF thin film is 165nm. Therefore, the (PVDF/PT) bilayer thin film with the thickness 165nm of PVDF thin film is the most suitable for the applications of pyroelectric thin film IR detectors.
目次 Table of Contents
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 鈦酸鉛(PbTiO3)的基本結構 6
2.3 聚偏二氟乙烯(PVDF)的基本結構 7
2.4 紅外光譜法 8
2.5 鐵電現象 9
2.6 焦電現象 10
2.7 焦電型感測元件 11
2.8 濺鍍原理 17
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(Ⅰ) – 基板製程 20
3.3 薄膜的製作(Ⅱ) – PbTiO3薄膜製程 22
3.4 薄膜的製作(Ⅲ) – PVDF薄膜製程 23
3.5 薄膜性質分析 24
3.6 感測元件的製作 25
第四章 結果與討論 26
4.1 PbTiO3溶液的分析 26
4.2 結晶方向分析 27
4.3 表面結構分析與膜厚分析 28
4.4 PVDF傅利葉轉換紅外線光譜分析 29
4.5 電性量測 31
4.6 焦電特性量測 33
4.7 (PVDF/PT)雙層薄膜感測元件之評估 33
4.8 紅外線感測元件特性量測 34
第五章 結 論 37
參 考 文 獻 39
參考文獻 References
圖1-1、各種光導體和光二極體隨波長變化的檢測度D*值 47
圖2-1、旋轉塗佈薄膜之步驟 48
圖2-2、鈦酸鉛之晶體結構;(a)頂視圖, (b)立體圖 49
圖2-3、(a)聚偏二氟乙烯α,β與γ相之分子結構, (b)以a-b平面觀察α,β,γ與αp相之分子排列圖 50
圖2-4、聚偏二氟乙烯之分子結構與單位晶胞; (a), (b):α相 (c), (d):β相 51
圖2-5、鐵電材料之遲滯曲線 52
圖2-6、焦電效應 53
圖2-7、一般焦電偵測系統 54
圖2-8、直流輝光放電結構與電位分佈圖 55
圖3-1、直流濺鍍系統結構圖 56
圖3-2、PbTiO3薄膜製備流程圖 57
圖3-3、(PVDF/PT)雙層薄膜製備流程圖 58
圖3-4、(a)感測器所用之金屬遮罩圖, (b)單一元件架構 59
圖4-1、PbTiO3溶液之熱重分析與熱差分析圖 60
圖4-2、以不同溫度燒結的PbTiO3薄膜之XRD圖形;(a)500℃, (a)600℃, (a)700℃, (a)800℃ 61
圖4-3、不同熱處理溫度下,PbTiO3薄膜之SEM圖形;(a)500℃, (b)600℃, (c)700℃, (d)800℃ 62
圖4-4、將PVDF塗佈於PbTiO3薄膜上,以65℃結晶相變化後所得之(PVDF/PT)雙層薄膜之SEM表面圖;(a)放大1000倍, (b)放大20000倍 63
圖4-5、將PVDF塗佈於PbTiO3薄膜上,以65℃結晶相變化後所得之(PVDF/PT)雙層薄膜之SEM剖面圖 64
圖4-6、不同濃度之定量PVDF溶液滴於PbTiO3薄膜,經不同時間浸泡後以65℃結晶相變化,由SEM剖面觀察所得之浸泡時間對PVDF薄膜厚度之關係圖 65
圖4-7、將PVDF旋轉塗佈於(SiO2/Si)基板上所得之FTIR圖;(a)PVDF/SiO2/Si結構, (b)只有PVDF薄膜 66
圖4-8、將PVDF旋轉塗佈於(SiO2/Si)基板上所得之不同PVDF薄膜厚度之FTIR圖;(a) PVDF薄膜厚度為500nm, (b) PVDF薄膜厚度為200nm 67
圖4-9、將PVDF旋轉塗佈於(SiO2/Si)基板上,以不同溫度結晶相變化2小時之FTIR圖;(a)65℃, (b)100℃, (c)135℃, (d)170℃ 68
圖4-10、頻率為10KHz,PVDF薄膜結晶相變化溫度為65℃,不同PVDF濃度製備之(PVDF/PT)雙層薄膜,其PVDF厚度對電容之關係圖 69
圖4-11、頻率為10KHz,PVDF薄膜結晶相變化溫度為65℃下,不同PVDF濃度製備之(PVDF/PT)雙層薄膜,其PVDF厚度對相對介電常數之關係圖 70
圖4-12、頻率為10KHz,PVDF薄膜結晶相變化溫度為65℃下,不同PVDF濃度製備之(PVDF/PT)雙層薄膜,其PVDF厚度對介電損之關係圖 71
圖4-13、不同PVDF濃度製備不同PVDF厚度之(PVDF/PT)雙層薄膜,其電流密度對電場的關係圖;(a)0.6M, (b)0.7M, (c)0.8M, (d)0.9M, (e)1.0M 72
圖4-14、對於不同PVDF濃度製備之(PVDF/PT)雙層薄膜,在電場E為40KV/cm時,不同PVDF厚度對電流密度關係圖 75
圖4-15、Sawyer and Tower 電路 76
圖4-16、由0.6M濃度PVDF溶液製備,不同PVDF厚度之(PVDF/PT)雙層薄膜的遲滯曲線;PVDF厚度為(a)0nm, (b)50nm, (c)70nm, (d)90nm, (e)120nm, (f)180nm 77
圖4-17、由0.7M濃度PVDF溶液製備,不同PVDF厚度之(PVDF/PT)雙層薄膜的遲滯曲線;PVDF厚度為(a)80nm, (b)100nm, (c)130nm, (d)180nm, (e)245nm 78
圖4-18、由0.8M濃度PVDF溶液製備,不同PVDF厚度之(PVDF/PT)雙層薄膜的遲滯曲線;PVDF厚度為(a) 110nm, (b)135nm, (c)165nm, (d)245nm, (e)355nm 79
圖4-19、由0.9M濃度PVDF溶液製備,不同PVDF厚度之(PVDF/PT)雙層薄膜的遲滯曲線;PVDF厚度為(a) 150nm, (b)185nm, (c)230nm, (d)335nm, (e)460nm 80
圖4-20、由1.0M濃度PVDF溶液製備,不同PVDF厚度之(PVDF/PT)雙層薄膜的遲滯曲線;PVDF厚度為(a) 190nm, (b)235nm, (c)295nm, (d)475nm, (e)580nm 81
圖4-21、不同PVDF濃度製備之(PVDF/PT)雙層薄膜,其PVDF厚度對矯頑電場與殘留極化量的關係圖;(a)0.6M, (b)0.7M, (c)0.8M, (d)0.9M, (e)1.0M 82
圖4-22、焦電電流測量系統圖 85
圖4-23、不同PVDF濃度製備之(PVDF/PT)雙層薄膜,其PVDF厚度對焦電係數之關係圖;(a)0.6M, (b)0.7M, (c)0.8M, (d)0.9M, (e)1.0M 86
圖4-24、不同PVDF濃度製備之(PVDF/PT)雙層薄膜,其PVDF厚度對優值(Fv & Fm)之關係圖;(a)0.6M, (b)0.7M, (c)0.8M, (d)0.9M, (e)1.0M 89
圖4-25、焦電薄膜感測元件測試系統 92
圖4-26、不同PVDF濃度製備不同PVDF厚度之(PVDF/PT)雙層薄膜感測元件,其電壓響應對截光頻率的關係圖;(a)0.6M, (b)0.7M, (c)0.8M, (d)0.9M, (e)1.0M 93
圖4-27、在截光頻率為20Hz時,(PVDF/PT)雙層薄膜感測元件之電壓響應對PVDF薄膜厚度關係圖 96
圖4-28、不同PVDF濃度製備不同PVDF厚度之(PVDF/PT)雙層薄膜感測元件,其雜訊電壓對截光頻率的關係圖;(a)0.6M, (b)0.7M, (c)0.8M, (d)0.9M, (e)1.0M 97
圖4-29、不同PVDF濃度製備不同PVDF厚度之(PVDF/PT)雙層薄膜感測元件,其比感測率對截光頻率的關係圖;(a)0.6M, (b)0.7M, (c)0.8M, (d)0.9M, (e)1.0M 100
圖4-30、黑體爐溫度1000K與截光頻率100Hz下,(PVDF/PT)雙層薄膜感測元件之比感測率對PVDF薄膜厚度關係圖 103
圖4-31、(PVDF/PT)雙層薄膜隨PVDF薄膜厚度之增加,比感測率D*對漏電流J的比較圖 104
表1-1、不同成長鐵電性薄膜方法之比較 105
表4-1、(PVDF/PT)雙層薄膜所得之結果與PVDF相關論文之分析比較 106
表4-2、(PVDF/PT)雙層薄膜所得之結果與PbTiO3相關論文之分析比較 107


電子全文 Fulltext
本電子全文僅授權使用者為學術研究之目的,進行個人非營利性質之檢索、閱讀、列印。請遵守中華民國著作權法之相關規定,切勿任意重製、散佈、改作、轉貼、播送,以免觸法。
論文使用權限 Thesis access permission:校內校外完全公開 unrestricted
開放時間 Available:
校內 Campus: 已公開 available
校外 Off-campus: 已公開 available


紙本論文 Printed copies
紙本論文的公開資訊在102學年度以後相對較為完整。如果需要查詢101學年度以前的紙本論文公開資訊,請聯繫圖資處紙本論文服務櫃台。如有不便之處敬請見諒。
開放時間 available 已公開 available

QR Code