[發明專利]無鉛壓電薄膜的制備方法

在審

• 申請號: 201510869543.1
• 申請日: 2015-12-01
• 公開（公告）號: CN105349975A
• 公開（公告）日: 2016-02-24
• 發明（設計）人: 遲慶國;馬濤;陳陽;董久峰;劉剛;王暄
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: C23C20/08
• 分類號: C23C20/08
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 侯靜

技術領域

本發明涉及一種高取向無鉛壓電薄膜的制備方法。

背景技術

目前應用廣泛的鐵電材料通常含鉛比例較高，對環境和人類健康是一致命威脅。無鉛NKBT具有較高的室溫居里溫度和強的電學性能，如鐵電性、熱釋電性等。溶膠凝膠法制備的NKBT薄膜具有極好的電學特性。NKBT薄膜目前已廣泛應用于各類電力電子設備，如熱釋電紅外輻射探測器，因為設備基于NKBT薄膜具有一些重要優勢：如室溫操作、從近紫外光到遠紅外光譜響應快、靈敏度好、成本低、簡單的設備結構等。

發明內容

本發明的目的是為了解決傳統鐵電性能優異薄膜含鉛的技術問題，提供了一種無鉛壓電薄膜的制備方法。

無鉛壓電薄膜的制備方法如下：

一、將醋酸鈉、醋酸鉀和硝酸鉍加入醋酸中，然后在溫度為55℃～65℃條件下，攪拌速度為500r/min～700r/min的條件下攪拌20min～40min，得到A溶液；

將鈦酸四丁酯加入乙二醇甲醚和乙酰丙酮的混合溶液，在室溫下控制轉速為500r/min～700r/min攪拌20min～40min，再加入甲酰胺，繼續攪拌20min～40min，得到B溶液；

將冷卻至室溫的A溶液和B溶液混合均勻，得到C溶液，再加入乙二醇甲醚，調整C溶液的濃度為0.2mol/L～0.3mol/L，再在室溫下控制攪拌速度為500r/min～700r/min攪拌20min～40min，然后陳化24h，得到鈦酸鉍鈉鉀溶膠，

其中醋酸鈉與醋酸的比例為(0.046～0.049)g:1mL、醋酸鉀與醋酸的比例為(0.011～0.013)g:1mL、硝酸鉍與醋酸的比例為(0.321～0.323)g:1mL；乙二醇甲醚與鈦酸四丁酯的摩爾比為(3.55～5.24):1，乙酰丙酮與鈦酸四丁酯的摩爾比為(0.98～1.11):1，甲酰胺與鈦酸四丁酯的摩爾比為(0.48～0.65):1；

二、把硝酸鑭和醋酸鎳加入乙二醇甲醚中，然后在溫度55℃～65℃，轉速為500r/min～700r/min，攪拌20min～40min，最后添加乙二醇甲醚調節溶膠濃度為0.02～0.08mol/L，陳化24h后，得到鎳酸鑭溶膠，其中硝酸鑭與乙二醇甲醚的比例為(0.034～0.038)g:1mL，醋酸鎳與乙二醇甲醚的比例為(0.019～0.023)g:1mL；

三、利用勻膠機在Pt/Ti/SiO₂/Si襯底上，旋凃一層鎳酸鑭溶膠，勻膠機轉速為3500r/s～4500r/s，旋涂時間為12～18s，然后置于溫度為350℃～400℃的平板加熱器上預熱2min～4min，然后在550～650℃下快速退火處理30min，即得到晶化的LNO種子層；

四、在晶化的LNO種子層上旋凃一層鈦酸鉍鈉鉀溶膠，置于溫度為400℃～500℃的平板加熱器上預熱30s～90s，得到NKBT薄膜；

五、按照步驟四的操作步驟重復5～7次，即得到LNO種子層調控的多層NKBT薄膜，勻膠機轉速為3500r/s～4500r/s，旋涂時間為12～18s；

六、將制備好的LNO種子層調控的多層NKBT非晶態濕膜，在450℃～700℃進行快速退火處理，退火時間為2min～4min，得到無鉛壓電薄膜。

本發明的有益效果：

一、從保護環境和可持續發展的角度來講，本發明制備的薄膜體系內重金屬鉛含量為零，屬于可持續發展和無污染材料。

二、本發明提供了一種優質的種子層薄膜，即LNO薄膜，該薄膜和NKBT薄膜一樣都是鈣鈦礦結構的薄膜，該薄膜不僅晶化溫度低，與Pt襯底有恰到好處的晶格錯配，可以大大緩解后期薄膜晶化過程中Pt襯底對NKBT薄膜的影響；并且LNO薄膜與NKBT薄膜參數匹配，可以更好的為NKBT薄膜提供更多的形核質點，使NKBT薄膜低溫晶化大幅度降低。

三、本發明中通過LNO優化的NKBT薄膜實現低溫晶化，純NKBT薄膜的晶化溫度一般高達700℃，而通過LNO種子層薄膜的優化調控后，NKBT薄膜的晶化溫度低至450℃，這對薄膜能實現微型化、集成化來說是一個最基本的條件。而且通過LNO種子層的調控，NKBT薄膜的鐵電、壓電、熱釋電性都有大幅度提高，并且LNO種子層更好的緩解Pt襯底和NKBT薄膜的晶格差異而產生的位錯，使薄膜體系的漏電流降低，進而從本質上增大了薄膜耐疲勞性和使用壽命。

四、本發明工藝、設備非常簡單，所用原材料均為市場所售、價格低廉、成本較低，易于器件集成，適合于工業化生產。

附圖說明