Abstract
鐵電材料在未來電子產業的應用上深具潛力，主要的原因在於這種高介電係數的介電體所具有的自發極化特性，是作為資料儲存元件的良好條件。因此有必要對其在微米、奈米尺度下，自發極化矩的特性與反轉行為做深入的了解。PZT鐵電薄膜是目前所有鐵電材料中，運用得最廣泛的其中一種。其鈣鈦礦(ABO3)的特殊結構與微觀尺度下的極化及介電特性息息相關。由於鐵電相變本身就是一種結構相變，而鐵電疇又是自發極化矩所形成的最小自然穩定結構，因此在了解PZT微觀物理性質的途徑中，首先由鐵電疇電極化特性與鐵電相變特性兩方面著手是直接可行的。本實驗運用可以在真空環境中工作的可變溫壓電反應力顯微術以及靜電力顯微術，對PbZr0.2Ti0.8O3以及PbZr0.3Ti0.7O3兩種陶瓷薄膜進行壓電與介電響應的研究。這種研究方法的優點在於真空環境下可以免除屏蔽分子對電疇極性的影響，以及進行溫度調變觀察相變特性時，不需考慮氣流擾動對溫度影響的因素。在運用壓電效應對PbZr0.2Ti0.8O3薄膜鐵電疇微觀尺度的觀察中，我們發現樣品表面屏蔽分子的存在與否對鐵電疇的壓電響應觀察造成了很大的影響。由於鐵電樣品在沒有其他因素的干擾下，表面附近的極性會因電疇退極化場而自然減弱，在樣品表面水膜內屏蔽分子的適度幫助下，反而因為具有穩定表面束縛電荷的作用而提高了樣品與水膜介面上的極性。運用可以在真空與大氣中工作的壓電反應力顯微術，我們成功的觀察到這個過去一直存在爭議的現象。另一方面，在運用不同直流電壓模式對PbZr0.2Ti0.8O3薄膜進行極化反轉的觀察過程中，我們注意到樣品內部累積的空間電荷對極化反應的影響。空間電荷除了造成電滯曲線的偏移之外，對於新疇成核的位置與極化反轉的影響也在壓電反應的影像觀測中看到。最後，在PZT薄膜鐵電相變的觀測中，我們採取了使用可變溫壓電反應力顯微術觀察自發極化隨溫度的衰減；配合靜電力顯微術觀察介電係數對溫度反應的變化，對PbZr0.2Ti0.8O3 以及PbZr0.3Ti0.7O3兩種不同相變行為模式的薄膜樣品加以分析與討論。