[發明專利]鈦酸鉍鈉基和鈦酸鋇基多層復合壓電薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201410245430.X
• 申請日: 2014-06-04
• 公開（公告）號: CN104045340A
• 公開（公告）日: 2014-09-17
• 發明（設計）人: 翟繼衛;李偉
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C04B35/468
• 分類號: C04B35/468;C04B35/475;H01L41/187;H01L41/27
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

技術領域

本發明屬于電子材料領域，涉及一種壓電薄膜材料及其制備方法，尤其是涉及一種鈦酸鉍鈉基和鈦酸鋇基多層復合壓電薄膜及其制備方法。

背景技術

壓電鐵電材料在信息的檢測、轉換、處理、顯示和存儲等方面具有廣泛的應用，是重要的高技術功能材料，但目前占壓電材料主導地位的仍然是鉛含量高達70％的鉛基壓電材料鋯鈦酸鉛(PZT)。鉛基材料在制備、使用和廢棄過程中對生態環境和人類健康造成嚴重危害，因此，研制無鉛壓電鐵電材料，是關系到我國電子技術可持續發展的緊迫任務之一。

常見的無鉛壓電材料主要包括：鈦酸鋇基、鈮酸鹽系、含鉍層狀結構和含鉍鈣鈦礦型等壓電材料體系，這些材料和傳統的鋯鈦酸鉛(PZT)系壓電材料相比有著各自的特點。對于鈦酸鋇基體系，在多晶型相變處具有極高的壓電性能而受到人們的關注，其壓電特性在某些方面可以同PZT材料相比擬。對于(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃(BNT)基的無鉛壓電材料，室溫時處于三角晶系，居里溫度為320℃。其鐵電性強(室溫剩余極化強度P_r＝38μC/cm²)，壓電系數大，介電常數小，熱釋電系數與PZT相當，聲學性能好，燒結溫度低，被認為是最具吸引力的無鉛壓電材料體系。然而，BNT矯頑場偏高(73kV/cm)，在鐵電相區的電導率高，漏電流大，難以極化，因此必須在此基礎上摻雜或引入其他的結構。目前，對這類材料體系的電致應變有一些報道，在(0.94-x)Bi_0.5Na_0.5TiO₃-0.06BaTiO₃-xK_0.5Na_0.5NbO₃(BNT-BT-KNN)陶瓷塊體中獲得了0.45％的應變量，這一結果高于PZT基陶瓷材料，并且可以同鉛基的反鐵電材料相媲美。通過BaTiO₃復合量以及對摻雜其它元素的控制，可以獲得材料的準同型相界，通過調整KNN的含量，在一定程度上達到降低鐵電-反鐵電相變溫度和展寬相變區域的目的，從而為這一材料體系的實際應用提供了可能。

在上世紀90年代，隨著微加工技術的發展及人們對精密微位移器件的需求，電可調機敏應變材料成為了微電子技術材料研究的一個熱點。近年來，對壓電鐵電薄膜材料與器件的需求日益增加，無鉛壓電鐵電薄膜研究顯得尤為重要。壓電薄膜是一類重要的多功能材料，具有良好的介電、鐵電、壓電、熱釋電和電致應變等特性，在微電子學、光電子學以及微機電領域有著廣泛的應用，主要應用于鐵電存儲器、微傳感器、微執行器和集成光電器件等。制備BNT基無鉛壓電薄膜的方法主要有溶膠-凝膠法，磁控濺射法和激光脈沖沉積法等。(Y.Wu?and?X.Wang，J.Am.Ceram.Soc.，94(2011)1843；Y.Tanaka?and?T.Harigai，J.Am.Ceram.Soc.，95(2012)3547；D.Y.Wang，and?N.Y.Chan，Appl.Phys.Lett.97(2010)212901)。其中溶膠.凝膠法具有化學計量比準確、成膜面積大、成膜均勻、設備簡單等優勢而被廣泛采用。BNT基無鉛壓電薄膜結晶溫度窄，易形成焦綠石相，高溫退火過程中鉍和鈉等元素易揮發造成結構缺陷，漏導增大。目前研究主要集中在A位取代改性上，例如BNT-BKT，BNT-BT等二元系無鉛材料。(C.W.Ahn?and?S.S.Won，Curr.Appl.Phys.，12(2012)903；M.Cernea?and?L.Trupina，J.Alloys?Compd.，515(2012)166；專利公開號1401611提供了BNT-BT；BNT-ST；BNT-CT?BNT-PT多種復合結構薄膜)。專利申請號201310023716.9提供了一種通過Mn摻雜鈦酸鉍鈉三元系無鉛壓電薄膜材料，有效降低了漏導提高了壓電性能。專利公開號102244192A提供了一種鈦酸鉍鈉和鐵酸鉍復合的薄膜材料，有效的降低了漏導。但是，有關BNT基與BT基無鉛壓電材料2-2復合的多層異質結構薄膜材料制備和性能研究還未見報道。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種具有高壓電性能，低損耗的鈦酸鉍鈉基和鈦酸鋇基多層復合壓電薄膜及其制備方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現；