氧压调控(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1)O3薄膜相变与压电性能的脉冲激光沉积研究及其超声换能器应用

为解决无铅铁电材料性能优化难题，研究人员通过脉冲激光沉积(PLD)技术系统探究了氧压(PO2)对BCTZ薄膜结构-性能关系的影响。研究发现10 Pa氧压下制备的薄膜具有最佳铁电性能(剩余极化2.97 μC/cm2)，通过光声技术首次揭示了氧压诱导的形态相界(MPB)温度偏移现象，并实现9.5-13 MHz宽频压电响应，为无铅超声换能器(pMUTs)设计提供了新思路。

　　

在电子器件微型化与环保需求的双重驱动下，寻找性能媲美传统锆钛酸铅(PZT)的无铅铁电材料成为研究热点。(Ba_0.85Ca_0.15)(Ti_0.9Zr_0.1)O₃(BCTZ)因其在陶瓷形态中展现的优异压电系数(650 pC/N)备受关注，但薄膜形态的性能调控机制尚不明确。特别是氧压(P_O2)作为脉冲激光沉积(PLD)关键参数，如何通过影响氧化学计量比来调控晶体缺陷与相结构，进而优化功能特性，成为突破技术瓶颈的核心问题。

研究团队采用多尺度表征技术体系，在Pt(111)/TiO₂/SiO₂/Si基底上制备了不同氧压(8.6-12.7 Pa)的BCTZ薄膜。通过掠入射X射线衍射(GI-XRD)和拉曼光谱解析晶体结构，结合X射线光电子能谱(XPS)分析表面化学态；利用压电力显微镜(PFM)观测铁电畴结构，通过脉冲激光光声(PLPA)技术实时监测相变过程；最后基于直接压电效应测试薄膜频率响应。

【结构表征】

GI-XRD证实所有薄膜均呈现钙钛矿结构，但12.7 Pa样品出现菱方相特征峰(41°)。XPS显示10 Pa样品最接近靶材化学计量比(A/B=1.19)，而高氧压导致氧空位增加(O_weak占比从14.16%升至19.4%)。

【生长动力学】

氧压显著影响薄膜生长：厚度从8.6 Pa的320 nm增至12.7 Pa的520 nm；晶粒尺寸呈现非单调变化，10-11.5 Pa时最小(约25 nm)，归因于等离子体羽流的热化效应。

【相结构演化】

拉曼光谱在183 cm^-1处发现菱方相特征峰，520/730 cm^-1宽峰对应四方相，262 cm^-1峰指示正交相，证实室温MPB存在。PLPA分析揭示：8.6 Pa样品在52°C和88°C分别发生正交-四方(O-T)和铁电-顺电相变，而10 Pa样品O-T转变降至室温以下，与增强的压电响应(饱和极化11.88 μC/cm²)相吻合。

【功能性能】

10 Pa样品展现最优综合性能：剩余极化(2.97 μC/cm²)接近陶瓷靶材，PFM显示清晰面内畴结构。频率响应测试中，未极化薄膜即实现10.5 MHz共振频率，优于传统PZT基pMUTs(1.5-10 MHz)。

该研究首次建立了BCTZ薄膜氧压-结构-性能的定量关系，发现10 Pa为最佳沉积窗口。通过PLPA技术突破传统XRD检测限(5-10%)，实现MPB温度的精准定位。所开发的无铅压电薄膜在医用超声成像(>10 MHz)领域展现出替代PZT的潜力，其环境友好特性与PLD工艺兼容性为微型化器件设计提供了新范式。E. Benítez-Flores等人在《Thin Solid Films》发表的这项工作，为无铅铁电材料的相界工程与性能优化提供了重要实验依据。