Orientador: Eudes Borges de Araújo / Resumo: Filmes finos de Pb0,91La0,09(Zr0,65Ti0,35)O3 (PLZT) foram preparados sobre substratos Pt/TiO2/SiO2/Si(100), usando um método químico baseado no processo Pechini, com objetivo de estudar a supressão da fase pirocloro e a estabilização da fase perovskita. Pós de PLZT preparados por reação do estado sólido foram utilizados como principal fonte de íons Pb2+, La2+, Zr4+ e Ti4+ pela dissolução em solução ácida. A obtenção de resinas poliméricas estáveis com diferentes excessos de chumbo foi possível preparando-se separadamente as resinas de PLZT e PbO seguido de posterior mistura e homogeneização à temperatura ambiente. / Abstract: Pb0,91La0,09(Zr0,65Ti0,35)O3 (PLZT) thin films were prepared on Pt/TiO2/SiO2/Si(100) substrates by using a chemical method based on Pechini process to study the pyrochlore phase suppression and to stabilizing the perovskite phase. PLZT powders prepared by solid state reaction were used as source of Pb2+, La2+, Zr4+ and Ti4+ ions by its dissolution in acid solution. / Doutor

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Les actionneurs piézoélectriques se distinguent par leurs faibles temps de réponse et leurs rapports déflexion/ tension d’actionnement élevés. Dans ces travaux, nous nous attacherons à optimiser la déformation de matériaux piézoélectriques. La première approche consiste à augmenter le champ dans la couche active et la seconde à optimiser les coefficients piézoélectriques du matériau. Pour répondre à des problématiques d’actionnement basse tension, des couches de nitrure d’aluminium (AlN) ultraminces ont été déposées et caractérisées. Le coefficient e31,eff s’est avéré être constant entre 800 et 50 nm d’épaisseur, à une valeur de -0,8 C/m², ce qui est proche de l’état de l’art. Le caractère piézoélectrique de l’AlN à une épaisseur de 12 nm a été mis en évidence. Toujours dans l’optique de travailler à champ électrique élevé, une étude visant à augmenter le champ de claquage du titano-zirconate de plomb (PZT) par insertion d’atomes de lanthane a été menée. Le champ de claquage est amélioré de 35% environ, sans que la permittivité diélectrique et les coefficients piézoélectriques ne soit dégradés. La seconde approche consiste à optimiser les coefficients piézoélectriques. Pour cela, le Titano Zircoate de Plomb a été étudié au voisinage de différentes transitions de phases. La transition morphotropique est particulièrement favorable au niveau piézoélectrique, avec un coefficient e31,eff qui atteint -18 C/m² hors champ et -27 C/m² sous champ. La problématique de blocage de parois de domaines a été abordée. La transition de Curie se manifeste principalement au niveau diélectrique, avec une permittivité relative qui atteint 2640 à 370°C, soit près du double de la valeur mesurée à température ambiante. Les pertes diélectriques diminuent entre 25°C et 280°C, pour atteindre 1,6 %. Afin de bénéficier d’une transition critique, du PZT fortement dopé au lanthane a été déposé.Un comportement relaxeur a été mis en évidence et un coefficient piézoélectrique induit d31 de -25 pm/V a été mesuré. Les matériaux développés dans cette thèse ouvrent des perspectives pour la réalisation de microactionneurs et notamment de têtes d’imprimantes jet d’encre. / Piezoelectric actuators exhibit low response times and high deflection/actuation voltage ratios. This PhD thesis aims at optimizing their strain values by increasing the applied field and the piezoelectric coefficients. To target low voltage issues, Aluminum Nitride (AlN) ultrathin layers were deposited and characterized. e31,eff coefficient was found to be constant between 800 and 50 nm, at a value as high as -0.8 C/m². Piezoelectric behaviour was also shown for 12 nm-thick AlN layers, by three different ways. Still in order to apply high electric fields, a study was carried out to improve Lead Zirconate Titanate (PZT) breakdown field, by inserting lanthanum atoms. Breakdown field was improved by approximately 35%, with no decrease of permittivity or piezoelectric coefficients. Another optimization approach consists in increasing the material’s piezoelectric coefficients. In this view, PZT was characterized around several phase transitions. Near morphotropic phase boundary, piezoelectric effect was found to be enhanced: e31,eff coefficient raises up to -18 C/m² at low field conditions and -27 C/m² in actuating conditions. Domain wall pining issue was also discussed. Near Curie transition, dielectric properties were found to be enhanced, with a dielectric constant rising up to 2640 at 370C, which is almost twice as high as room temperature value. Furthermore, dielectric loss decreases from 25C to 280C to reach 1.6%. To profit from a critic phase transition, highly Lanthanum doped PZT was deposited. Relaxor behaviour was shown and an induced piezoelectric coefficient d31 of -25 pm/V was measured. Materials developed in this PhD thesis can be used to realize microactuators and especially inkjet printheads.

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Este trabalho vem a dar uma importante contribuição à pesquisa de novos materiais que possam ser utilizados como meios ativos para lasers de estado sólido na região do infravermelho próximo, bombeados por lasers de diodo, e também na região do visível, bombeados pelo processo de Upconversion. As emissões dos íons Nd3+ e Tm3+ foram estudadas em três sistemas (cristalino, vítreo e policristalino). No primeiro sistema inclui-se fibras monocristalinas com diâmetro de 500 µm e até 3 cm de comprimento dos vanadatos YVO4, Y0,8La0,2VO4 e Gd0,8La0,2VO4, dopadas com Nd3+, e de Gd0,8La0,2VO4 dopadas com Tm3+, que foram crescidas pela versátil técnica LHPG, de baixo custo, e caracterizadas dos pontos de vista estrutural e espectroscópico como candidatas para o desenvolvimento de lasers compactos na região do IV e do VIS. Foi observada emissão laser em 1,064µ, foi observada em uma fibra de YVO4:Nd3+ adaptada a uma cavidade end-pump, com eficiência comparável a de um cristal comercial crescido pelo método de Czochralski. Para os vidros calcogenetos GaLaS dopados com Nd3+ e Tm3+, além das caracterizações espectroscópicas, realizou-se o estudo da transferência de energia entre íons, das interações íon-matriz e da geração de calor nas amostras, para investigar a influência destes mecânicas na eficiência quântica de emissão dos íons. Para o GaLaS:Tm3+, verificou-se ganho óptico positivo em 1,8 µm (emissão de interesse em medicina e odontologia), e medidas de absorção de estado excitado indicam que a transição em 1,4 µm pode ser utilizada em amplificadores de banda larga, desde que seja bombeada apropriadamente. As amostras da cerâmica ferroelétrica PLZT(9/65/35) transparentes e dopadas com ambos os íons foram caracterizadas de maneira similar aos outros sistemas e cálculo das propriedades radiativas aliadas as medidas do espectro de ganho no PLZT:Nd3+ indicam a potencialidade dessas matrizes como meio ativo para lasers. / In this work we have made an important contribution to the growing research of new laser materials that can be pumped by low cost diode lasers or by the Upconversion process to operate in the near-infrared and visible spectral regions. Three kinds of hosts, doped with the rare earth ions (Nd3+ and Tm3+) were studied, and they present potential characteristics as laser active media. Single crystal fibers of yttrium and gadolinium orthovanadates grown by LHPG are very attractive for the construction of compact lasers due to the versatility and low cost of the growing process. A neodymium-doped YVO4 fiber adapted to an end-pump laser cavity presented efficient emission at 1.064 µm, similar to that obtained for a Czochralski grown bulk crystal. A study of ion-ion and host-ion interactions was done for GaLaS glass to investigate the influence of these processes on fluorescence quantum efficiencies. For GaLaS:Tm3+, positive gain was estimated at 1,8 µm and it was also observed that the 1,47 µm emission is efficient under appropriate pumping. Finally, transparent PLZT ferroelectric ceramic samples were characterized and the results also point out that PLZT:Nd3+ might become a potential laser host.

Este trabalho vem a dar uma importante contribuição à pesquisa de novos materiais que possam ser utilizados como meios ativos para lasers de estado sólido na região do infravermelho próximo, bombeados por lasers de diodo, e também na região do visível, bombeados pelo processo de Upconversion. As emissões dos íons Nd3+ e Tm3+ foram estudadas em três sistemas (cristalino, vítreo e policristalino). No primeiro sistema inclui-se fibras monocristalinas com diâmetro de 500 µm e até 3 cm de comprimento dos vanadatos YVO4, Y0,8La0,2VO4 e Gd0,8La0,2VO4, dopadas com Nd3+, e de Gd0,8La0,2VO4 dopadas com Tm3+, que foram crescidas pela versátil técnica LHPG, de baixo custo, e caracterizadas dos pontos de vista estrutural e espectroscópico como candidatas para o desenvolvimento de lasers compactos na região do IV e do VIS. Foi observada emissão laser em 1,064µ, foi observada em uma fibra de YVO4:Nd3+ adaptada a uma cavidade end-pump, com eficiência comparável a de um cristal comercial crescido pelo método de Czochralski. Para os vidros calcogenetos GaLaS dopados com Nd3+ e Tm3+, além das caracterizações espectroscópicas, realizou-se o estudo da transferência de energia entre íons, das interações íon-matriz e da geração de calor nas amostras, para investigar a influência destes mecânicas na eficiência quântica de emissão dos íons. Para o GaLaS:Tm3+, verificou-se ganho óptico positivo em 1,8 µm (emissão de interesse em medicina e odontologia), e medidas de absorção de estado excitado indicam que a transição em 1,4 µm pode ser utilizada em amplificadores de banda larga, desde que seja bombeada apropriadamente. As amostras da cerâmica ferroelétrica PLZT(9/65/35) transparentes e dopadas com ambos os íons foram caracterizadas de maneira similar aos outros sistemas e cálculo das propriedades radiativas aliadas as medidas do espectro de ganho no PLZT:Nd3+ indicam a potencialidade dessas matrizes como meio ativo para lasers. / In this work we have made an important contribution to the growing research of new laser materials that can be pumped by low cost diode lasers or by the Upconversion process to operate in the near-infrared and visible spectral regions. Three kinds of hosts, doped with the rare earth ions (Nd3+ and Tm3+) were studied, and they present potential characteristics as laser active media. Single crystal fibers of yttrium and gadolinium orthovanadates grown by LHPG are very attractive for the construction of compact lasers due to the versatility and low cost of the growing process. A neodymium-doped YVO4 fiber adapted to an end-pump laser cavity presented efficient emission at 1.064 µm, similar to that obtained for a Czochralski grown bulk crystal. A study of ion-ion and host-ion interactions was done for GaLaS glass to investigate the influence of these processes on fluorescence quantum efficiencies. For GaLaS:Tm3+, positive gain was estimated at 1,8 µm and it was also observed that the 1,47 µm emission is efficient under appropriate pumping. Finally, transparent PLZT ferroelectric ceramic samples were characterized and the results also point out that PLZT:Nd3+ might become a potential laser host.

Recentemente, grande interesse tem sido demonstrado por cerâmicas transparentes dopadas com íons terras raras trivalentes, como meios ativos para lasers na região espectral do infravermelho próximo. Em particular, cerâmicas dopadas com altas concentrações de Nd3+ e Yb3+ são muito estudadas pela possibilidade de gerar emissão laser de alta potência em torno de 1,0 mm. Embora a cerâmica transparente de titanato zirconato de chumbo e lantânio (PLZT), com composição La/ Zr/Ti = 9/65/35, seja originalmente reconhecida por suas propriedades ferroelétricas e eletro-ópticas, a mesma também apresenta características interessantes como matriz hospedeira de íons oticamente ativos. Recentemente, de Camargo et al. realizaram vários estudos espectroscópicos que comprovam a potencialidade laser de amostras dopadas com Yb3+, Er3+, Tm3+ e em especial Nd3+. Apesar de a cerâmica PLZT:Nd ser a mais promissora, se comparada a líder de mercado YAG:Nd (sistema ítrio-alumínio garnet dopado com neodímio), ainda não foi possível obter ação laser da primeira, devido à presença de fases espúrias (imperceptíveis a olho nu), que comprometem a qualidade óptica do material, especialmente para concentrações de dopagem maiores que 1,0% peso de Nd2O3. Uma vez que a qualidade estrutural tem implicação direta na qualidade óptica/espectroscópica de materiais ópticos, faz-se necessário estender os estudos visando otimizar a obtenção de amostras transparentes com mais altos níveis de dopagem. Neste trabalho apresenta-se um método alternativo para a dopagem da matriz PLZT com os íons TR = Nd3+ e Yb3+, e utiliza-se de várias técnicas (DR-X, DTA-TG, FT-IR, Raman, RMN e Luminescência), para caracterizar os compostos precursores e/ou produtos. O novo método baseia-se na obtenção prévia de óxidos precursores dopados, seguida da utilização destes para o preparo das cerâmicas PLZT:TR. As caracterizações foram conduzidas em função da concentração de dopantes (0,1 4,0% peso TR2O3), comparativamente ao método de dopagem convencional utilizado nos trabalhos anteriores. A espectroscopia de ressonância magnética nuclear em sólidos em 207Pb, mostrou-se uma ferramenta bastante útil na elucidação de questões estruturais desses sistemas tão complexos. Como os íons paramagnéticos Nd3+ e Yb3+ não podem ser diretamente acessados por RMN, a estratégia para caracterizar suas distribuições espaciais foi investigar suas respectivas mímicas diamagnéticas Y3+ e Sc3+ (núcleos 45Sc e 89Y). Resultados de DR-X apresentam menor formação de fase secundária nas amostras preparadas via método alternativo, sendo identificado as fases secundárias como (La,Nd)2(Zr,Ti)2O7 (estrutura do tipo pirocloro), ZrO2 em fase parcialmente monoclínica e cúbica e ZrO2 em fase cúbica, das amostras dopadas com Nd3+, Y3+ e Yb3+, respectivamente. De acordo com os resultados de DR-X, experimentos de RMN permitiram melhor avaliação quanto a inserção do íon dopante a medida que há formação de fase secundária e mostraram que a inserção dos íons dopantes é homogênea, bem como resultados de luminescência, com o limite de solubilidade do íon dopante sempre menor do que o necessário para que seja observado supressão da luminescência dos íons emissores. / In recent years, there has been a great interest for rare-earth (RE) doped transparent ceramics as near-infrared laser active media. Particularly, Nd3+ and Yb3+-doped ceramics are of special interest due to the possibility of generating high power emissions at around 1.0 mm. Even though lead lanthanum zirconate titanate (PLZT) ceramics, with composition La/Zr/Ti = 9/65/35, are mostly known by their ferroelectric and electro-optic properties, recent works by de Camargo et al. have also indicated their potentiality as laser active media. In this regard, the most promising system is PLZT:Nd (as compared to YAG:Nd - neodymium-doped yttrium aluminium garnet), however, laser action of the former has not yet been possible, the reason lying in the presence of secondary phases (invisible to the naked eye) that compromise the optical quality of the ceramics, especially for samples with concentration higher than 1.0 wt% Nd2O3. Since the structural quality of samples has a direct implication on their spectroscopic and optical qualities, the goals pursued in this work are to present means to obtain highly transparent samples with higher incorporation of dopants, as well as to understand some fundamental questions regarding the microstructure of PLZT:RE ceramics. Thus, an alternative method, based on the obtainment of RE-doped precursor oxides, is presented for the synthesis of PLZT:RE and several techniques (XRD, DTA-TG, FT-IR, Raman, NMR and Luminescence) are used to characterize the samples, as a function of doping concentration (0,1 4,0 wt% RE2O3). These studies are done in comparison to the conventional method used in previous works. Solid state NMR spectroscopy of 207Pb proved to be a very useful tool for the understanding of these complex systems. Because Nd3+ and Yb3+ are paramagnetic and thus inaccessible by NMR, the strategy used for the characterization of their spatial distribution was to study samples doped with their respective diamagnetic mimics Sc3+ and Y3+ (45Sc and 89Y nuclei). XRD results have shown formation of less secondary phase for samples prepared by alternative method, being identified as secondary phase pyrochlore structure (La,Nd)2(Zr,Ti)2O7, partially monoclinic/cubic ZrO2 and cubic ZrO2 of the samples doped with Nd3+, Y3+ and Yb3+ respectively. NMR measurements allowed to make proposals about dopant ion insertion while secondary phase is formed and showed homogeneous distribution of dopant into the matrix, aswell luminescence measurements with maximum dopant solubility being less than enough to show any suppression of luminescence.

Recentemente, grande interesse tem sido demonstrado por cerâmicas transparentes dopadas com íons terras raras trivalentes, como meios ativos para lasers na região espectral do infravermelho próximo. Em particular, cerâmicas dopadas com altas concentrações de Nd3+ e Yb3+ são muito estudadas pela possibilidade de gerar emissão laser de alta potência em torno de 1,0 mm. Embora a cerâmica transparente de titanato zirconato de chumbo e lantânio (PLZT), com composição La/ Zr/Ti = 9/65/35, seja originalmente reconhecida por suas propriedades ferroelétricas e eletro-ópticas, a mesma também apresenta características interessantes como matriz hospedeira de íons oticamente ativos. Recentemente, de Camargo et al. realizaram vários estudos espectroscópicos que comprovam a potencialidade laser de amostras dopadas com Yb3+, Er3+, Tm3+ e em especial Nd3+. Apesar de a cerâmica PLZT:Nd ser a mais promissora, se comparada a líder de mercado YAG:Nd (sistema ítrio-alumínio garnet dopado com neodímio), ainda não foi possível obter ação laser da primeira, devido à presença de fases espúrias (imperceptíveis a olho nu), que comprometem a qualidade óptica do material, especialmente para concentrações de dopagem maiores que 1,0% peso de Nd2O3. Uma vez que a qualidade estrutural tem implicação direta na qualidade óptica/espectroscópica de materiais ópticos, faz-se necessário estender os estudos visando otimizar a obtenção de amostras transparentes com mais altos níveis de dopagem. Neste trabalho apresenta-se um método alternativo para a dopagem da matriz PLZT com os íons TR = Nd3+ e Yb3+, e utiliza-se de várias técnicas (DR-X, DTA-TG, FT-IR, Raman, RMN e Luminescência), para caracterizar os compostos precursores e/ou produtos. O novo método baseia-se na obtenção prévia de óxidos precursores dopados, seguida da utilização destes para o preparo das cerâmicas PLZT:TR. As caracterizações foram conduzidas em função da concentração de dopantes (0,1 4,0% peso TR2O3), comparativamente ao método de dopagem convencional utilizado nos trabalhos anteriores. A espectroscopia de ressonância magnética nuclear em sólidos em 207Pb, mostrou-se uma ferramenta bastante útil na elucidação de questões estruturais desses sistemas tão complexos. Como os íons paramagnéticos Nd3+ e Yb3+ não podem ser diretamente acessados por RMN, a estratégia para caracterizar suas distribuições espaciais foi investigar suas respectivas mímicas diamagnéticas Y3+ e Sc3+ (núcleos 45Sc e 89Y). Resultados de DR-X apresentam menor formação de fase secundária nas amostras preparadas via método alternativo, sendo identificado as fases secundárias como (La,Nd)2(Zr,Ti)2O7 (estrutura do tipo pirocloro), ZrO2 em fase parcialmente monoclínica e cúbica e ZrO2 em fase cúbica, das amostras dopadas com Nd3+, Y3+ e Yb3+, respectivamente. De acordo com os resultados de DR-X, experimentos de RMN permitiram melhor avaliação quanto a inserção do íon dopante a medida que há formação de fase secundária e mostraram que a inserção dos íons dopantes é homogênea, bem como resultados de luminescência, com o limite de solubilidade do íon dopante sempre menor do que o necessário para que seja observado supressão da luminescência dos íons emissores. / In recent years, there has been a great interest for rare-earth (RE) doped transparent ceramics as near-infrared laser active media. Particularly, Nd3+ and Yb3+-doped ceramics are of special interest due to the possibility of generating high power emissions at around 1.0 mm. Even though lead lanthanum zirconate titanate (PLZT) ceramics, with composition La/Zr/Ti = 9/65/35, are mostly known by their ferroelectric and electro-optic properties, recent works by de Camargo et al. have also indicated their potentiality as laser active media. In this regard, the most promising system is PLZT:Nd (as compared to YAG:Nd - neodymium-doped yttrium aluminium garnet), however, laser action of the former has not yet been possible, the reason lying in the presence of secondary phases (invisible to the naked eye) that compromise the optical quality of the ceramics, especially for samples with concentration higher than 1.0 wt% Nd2O3. Since the structural quality of samples has a direct implication on their spectroscopic and optical qualities, the goals pursued in this work are to present means to obtain highly transparent samples with higher incorporation of dopants, as well as to understand some fundamental questions regarding the microstructure of PLZT:RE ceramics. Thus, an alternative method, based on the obtainment of RE-doped precursor oxides, is presented for the synthesis of PLZT:RE and several techniques (XRD, DTA-TG, FT-IR, Raman, NMR and Luminescence) are used to characterize the samples, as a function of doping concentration (0,1 4,0 wt% RE2O3). These studies are done in comparison to the conventional method used in previous works. Solid state NMR spectroscopy of 207Pb proved to be a very useful tool for the understanding of these complex systems. Because Nd3+ and Yb3+ are paramagnetic and thus inaccessible by NMR, the strategy used for the characterization of their spatial distribution was to study samples doped with their respective diamagnetic mimics Sc3+ and Y3+ (45Sc and 89Y nuclei). XRD results have shown formation of less secondary phase for samples prepared by alternative method, being identified as secondary phase pyrochlore structure (La,Nd)2(Zr,Ti)2O7, partially monoclinic/cubic ZrO2 and cubic ZrO2 of the samples doped with Nd3+, Y3+ and Yb3+ respectively. NMR measurements allowed to make proposals about dopant ion insertion while secondary phase is formed and showed homogeneous distribution of dopant into the matrix, aswell luminescence measurements with maximum dopant solubility being less than enough to show any suppression of luminescence.

Orientador: José de los Santos Guerra / Resumo: O presente trabalho tem como objetivo investigar a influência do excesso de PbO na estabilização da fase ferroelétrica do sistema titanato zirconato de chumbo modificado com lantânio, o Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT), bem como, a influência nas propriedades estruturais e suas correlações com as propriedades microestruturais, dielétricas e ferroelétricas. Cerâmicas e filmes finos de PLZT foram obtidos considerando diferentes composições com simetrias romboédrica e tetragonal, com grupo espacial (R3m) e (P4mm), respectivamente. As composições nominais Pb(0,94)La(0,06)(Zr0,6895Ti0,2955)O3 e Pb(0,94)La(0,06)(Zr0,52205Ti0,46295)O3, foram obtidas sem excesso de PbO e com os excessos 0,02; 0,05; 0,10; 0,15; 0,20 em mols. Os pós-precursores foram preparados por mistura convencional de óxidos, e utilizados para conformação das cerâmicas e para obter a resina precursora utilizada na síntese dos filmes finos. Para o estudo das propriedades estruturais e microestruturais, foram utilizadas as técnicas de difração de raios X (DRX), Espectroscopia Raman, Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia de Dispersão de Energia (EDX). As propriedades ferroelétricas e dielétricas foram investigadas a partir da dependência da polarização com o campo elétrico e resposta dielétrica com temperatura, respectivamente. Os refinamentos da estrutura foram obtidos pelo método Rietveld e auxiliaram na obtenção dos parâmetros de estruturais e na determinação da quantidade percentual de cada fase pres... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The objective of the present work is to investigate the influence of excess PbO on the stabilization of the ferroelectric phase of the lanthanum-modified lead zirconate titanate system, Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT), as well as the influence on the structural properties and its correlations with microstructural, dielectric and ferroelectric properties. PLZT ceramics and thin films were obtained considering different compositions with rhombohedral and tetragonal structures, with spatial group (R3m) and (P4mm), respectively. The nominal compositions Pb(0,94)La(0,06)(Zr0,6895Ti0,2955)O3 and Pb(0,94)La(0,06)(Zr0,52205Ti0,46295)O3, were obtained with no excess of PbO and with excesses in mols 0,02; 0,05; 0,10; 0,15; 0,2. The precursor powders were prepared by conventional mixing of oxides, and used for conformation of the ceramics and to obtain the precursor resin used in the synthesis of the thin films. For the study of the structural and microstructural properties, X-ray diffraction (XRD), Raman Spectroscopy, Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersion Spectroscopy (EDS) were used. The ferroelectric and dielectric properties were investigated from the dependence of the polarization with the electric field and dielectric response with temperature, respectively. The structure refinements were obtained by the Rietveld method and the structural parameters and used to evaluate the percentage amount of each phase present in the compound as a function of excess PbO. The dielec... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

ABSTRACT PREPARATION OF PLZT THIN FILMS BY CHEMICAL SOLUTION DEPOSITION AND THEIR CHARACTERIZATION Kaplan, Burkan M.S., Department of Metallurgical and Materials Engineering Supervisor: Prof. Dr. Macit &Ouml / zenbaS November 2005, 125 pages In this study, La3+ was substituted into lead zirconate titanate (PZT) system by Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3 nominal stochiometry and it was processed via chemical solution deposition on (111)-Pt/Ti/SiO2/Si-(100) substrate.PLZT solutions were prepared by mixing two solutions, one of which was obtained by dissolving lead acetate and lanthanum acetate hydrate in 2 methoxyethanol at high temperature. This solution was then mixed with the second solution containing zirconium propoxide and titanium isopropoxide. 40ml/0.4M solution was prepared and spin coated on Pt/Ti/SiO2/Si substrates at 3000 rpm for 30 seconds. After 4 coating cycles, film thickness was reached to 600 nm. A systematic study was carried out in different regions of PLZT phase diagram tetragonal, rhombohedral and on the morphotropic phase boundry (MPB) to obtain optimized results of ferroelectric, dielectric and optical properties of the material. During the period of the work, effect of parameters on these properties such as heat treatment conditions, chemical composition of the film, microstructure and thickness of the film was investigated. The films were characterized structurally and electrically. For structural properties, X-ray diffraction technique (XRD), energy dispersive spectrometry (EDS) and Scanning Electron Microscope (SEM) were used to observe phases and surface characterization. For electrical measurements, ferroelectric tester was used to obtain dielectric constant, loss tangent and hysteresis curves. Optical transmittance of the films was also investigated by UV-VIS Spectrophotometer and optical film constants were calculated by modified envelope method. It was observed that the optimum heat treatment conditions were achieved at 7500C for 3 hours. The highest ferroelectric and dielectric properties such as remanent polarization and dielectric constant were obtained using that temperature. The dielectric constant of the films was measured in the frequency range of 1kHz-1MHz and remained almost constant in this region. The change of dielectric constant and ferroelectric hysteresis loops were obtained as a function of Zr/Ti ratio and La content. The grain size as a function of sintering temperature and La content was investigated. It was seen that as the sintering temperature was increased, the grain size of the films increased. The same tendency was also observed when the La content was increased. Fatigue behavior of PLZT thin films was also investigated by Radiant Ferroelectric Tester at 50 kHz and &plusmn / 15V. Change of remanent polarization (Pr) as a function of cumulative switching cycles (N) was drawn with the log scale of x-axis. Furthermore, leakage current characteristics of the films were also obtained by the ferroelectric tester at &amp / #61617 / 15V. It has been observed that as the La content of the film was increased, leakage current of the PLZT films decreased. Keywords: PLZT, (111)-Pt/Ti/SiO2/Si-(100) substrate, Chemical Solution Deposition.