一种通过施加晶种层实现PZT薄膜高织构及自极化的方法

本发明涉及电子材料，具体涉及一种通过施加晶种层实现pzt薄膜高织构及自极化的方法。

背景技术：

1、压电材料可以实现电能与机械能的相互转换，是实现机电一体化、结构部件智能化的重要功能功能，在mems、能量回收、医疗等领域都有着广泛应用，而以锆钛酸铅(pb(zr,ti)o3为代表的含铅压电材料占据了绝大部分的市场份额，且主要以压电陶瓷形式存在，广泛应用于雷达、换能器、声呐、扬声器等领域。不过，随着纳米技术的发展，材料正在向低维度、小尺寸、多功能方向发展，因此，压电铁电薄膜越来越受到重视。

2、压电锆钛酸铅薄膜可应用于许多微机电系统(mems)，在这些应用中，需要在低工作电压下实现高压电系数，以实现mems器件的高机电应变。由于钙钛矿铁电材料具有很强的各向异性，其薄膜的晶体织构会影响其压电性能。织构是铁电薄膜的一个重要特征，是不同晶体取向的择优分布。钙钛矿pzt材料足够复杂，可以在溶胶-凝胶过程发展的早期使用合适的底物控制成核生长，可以降低成核的活化能。一般地，在溶胶凝胶法制备薄膜的过程中，可以通过控制热处理过程、通过增加缓冲层和施加晶种层来对薄膜的织构进行调控，而通过施加晶种层来对薄膜的织构进行调控是目前最有效、应用最多的方法。在已有施加晶种层的方法复杂、且效果较差、可重复性差。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种通过施加晶种层实现pzt薄膜高织构及自极化的方法。本发明通过溶胶凝胶法制备混合晶种层，实现pzt薄膜产品高织构及自极化，通过配比的调整，可以获得高(110)、(100)或(111)织构的pzt薄膜层，不同配比晶种层获得简单、调控效果好、可重复性好，所制备的薄膜具有优异的压电系数和自极化性能。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明首先提供一种高织构、自极化的pzt薄膜的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)配置溶胶：分别配置晶种凝胶和锆钛酸铅溶胶；

5、(2)晶种层薄膜制备：将步骤(1)的晶种凝胶滴加到基片上，匀胶后，固化，退火，重复上述滴加、匀胶、固化、退火过程，得到含晶种层薄膜的基片；

6、(3)制备pzt薄膜：将步骤(1)制备的锆钛酸铅溶胶滴加在步骤(2)含晶种层薄膜的基片的晶种层薄膜的表面，匀胶，固化，退火，并重复上述滴加、匀胶、固化、退火过程，得到含高织构、自极化的pzt层的pzt薄膜。

7、优选地，步骤(1)中，所述晶种凝胶包括pbo溶胶、tio2溶胶中的至少一种。

8、优选地，步骤(1)中，所述晶种层凝胶包括pbo溶胶和/或tio2溶胶；所述pbo溶胶与tio2溶胶的摩尔比为(0～100)：(100～0)。

9、优选地，所述pbo溶胶的制备方法为：

10、(1-1)将乙酸、乙酰丙酮加入乙二醇甲醚中，搅拌均匀得到混合溶液；然后加入三水乙酸铅粉末，搅拌，冷却至室温得到混合液；

11、(1-2)再向步骤(1)的混合液中加入乙酸和乙二醇甲醚，搅拌后，超声后再加乙酸搅拌，得到氧化铅溶液，过滤，密封，静置陈化，得到pbo溶胶。

12、优选地，步骤(1-1)中，所述乙酸、乙酰丙酮、乙二醇甲醚的体积比为10.5：3.5：10；所述三水乙酸铅与乙酸的质量体积比为1.8967g：10ml；所述搅拌的温度为125-135℃，时间为20-25min。

13、优选地，步骤(1-2)中，所述乙酸、乙二醇甲醚的体积比为10.5：5；所述超声后再加乙酸与第一次所加乙酸的体积比为1:1。

14、优选地，步骤(1)中，所述tio2溶胶的制备方法为：

15、(2-1)将乙酸、乙酰丙酮加入乙二醇甲醚中，搅拌均匀得到混合溶液；然后加入四异丙醇钛，室温搅拌后，得到混合液；

16、(2-2)再向步骤(1)的混合液中加入乙酸和乙二醇甲醚，搅拌，超声后再加乙二醇甲醚搅拌20-30min，得到tio2溶液，过滤，密封，静置陈化，得到tio2溶胶。

17、优选地，步骤(2-1)中，所述乙酸、乙酰丙酮、乙二醇甲醚的体积比为5：3：15；所述乙酸与四异丙醇钛的体积比为5：1.5；所述搅拌的时间为20-25min。

18、优选地，步骤(2-2)中，所述混合液、乙酸、乙二醇甲醚的体积比为24.5：5：15；所述超声后再加的乙二醇甲醚与第一次所加乙二醇甲醚的体积比为5.5：15。

19、优选地，步骤(1)中，所述锆钛酸铅溶胶中锆钛酸铅的化学式为：pbzr52ti48o3；所述锆钛酸铅溶胶是通过先制备锆钛酸铅溶液，然后陈化得到。

20、优选地，步骤(2)中，所述匀胶的具体条件为：先以500r/min，匀胶5s，然后5000r/min，匀胶30s。

21、优选地，所述固化，退火的条件为：

22、当晶种层为pbo和tio2混合溶胶时，固化、退火的具体条件为：以8-12℃/s，升温至120-150℃烘干1-3min，升温至400-450℃热解4-6min完成固化，然后于500-650℃退火1-2min。

23、当晶种层为pbo溶胶时，固化、退火的具体条件为：以15-20℃/s，升温至150-160℃烘干5-10min完成固化，然后于500-600℃退火3-5min，再以3-5℃/s降至室温。

24、当晶种层为tio2溶胶时，固化、退火的具体条件为：以15-20℃/s，升温至150-160℃烘干5-10min，然后升温至300-400℃，热解3-5min完成固化，然后于500-650℃退火5-8min。

25、优选地，所述晶种层的厚度为18-22nm。

26、优选地，步骤(3)中，所述匀胶的条件为：以500r/min，匀胶5s；再以5000r/min，匀胶30s；所述固化，退火的条件为：以15-20℃/s升温至150-160℃烘干1-2min，然后升温至400-450℃热解4-5min，最后于650-700℃退火1-2min；其中，退火的气氛为空气气氛。

27、本发明有益的技术效果在于：

28、本发明通过溶胶凝胶法制备混合晶种层实现pzt薄膜高织构及自极化，相比现有技术具有三个明显特点：1)制备方法简单，两种溶胶分开配置，晶种层调节方便，可仅仅通过改变晶种层混合比例获得具有高(110)、(100)或(111)织构的pzt薄膜；2)获得的薄膜具有优异的压电系数和自极化特性，在mems器件的应用上具有很大空间；3)设备简单，用料省，成本低，可重复性好，易于实现工业化生产。

技术特征：

1.一种高织构、自极化的pzt薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述晶种层凝胶包括pbo溶胶和/或tio2溶胶；所述pbo溶胶与tio2溶胶的摩尔比为(0～100)：(100～0)。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述晶种凝胶为pbo溶胶和tio2溶胶。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述pbo溶胶与tio2溶胶的摩尔比为(0.1～99.9)：(99.9：0.1)。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述pbo溶胶的制备方法为：将乙酸、乙酰丙酮加入乙二醇甲醚中，搅拌均匀得到混合溶液；然后加入三水乙酸铅粉末，搅拌，冷却至室温得到混合液；再向混合液中加入乙酸和乙二醇甲醚，搅拌后，超声后再加乙二醇甲醚搅拌，得到氧化铅溶液，过滤，密封，静置陈化，得到pbo溶胶。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述tio2溶胶的制备方法为：将乙酸、乙酰丙酮加入乙二醇甲醚中，搅拌均匀得到混合溶液；然后加入四异丙醇钛，室温搅拌后，得到混合液；再向混合液中加入乙酸和乙二醇甲醚，搅拌，超声后再加乙二醇甲醚搅拌20-30min，得到tio2溶液，过滤，密封，静置陈化，得到tio2溶胶。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述锆钛酸铅溶胶中锆钛酸铅的化学式为：pbzr52ti48o3；所述锆钛酸铅溶胶是通过先制备锆钛酸铅溶液，然后陈化得到。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述匀胶的具体条件为：先以500r/min，匀胶5s，然后5000r/min，匀胶30s。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述固化，退火的条件为：

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述匀胶的条件为：以500r/min，匀胶5s；再以5000r/min，匀胶30s；所述固化，退火的条件为：以15-20℃/s升温至150-160℃烘干1-2min，然后升温至400-450℃热解4-5min，最后于650-700℃退火1-2min；其中，退火的气氛为空气气氛。

技术总结本发明公开了一种通过施加晶种层实现PZT薄膜高织构及自极化的方法。本发明所述方法是通过首先分别配置晶种凝胶和锆钛酸铅溶胶；将晶种凝胶滴加到基片上，匀胶后，固化，退火，重复上述滴加、匀胶、固化、退火过程，得到含晶种层薄膜的基片；然后将锆钛酸铅溶胶滴加在含晶种层薄膜的基片上，匀胶，固化，退火，并重复上述滴加、匀胶、固化、退火过程，得到高织构、自极化的PZT薄膜。本发明所制备的PZT薄膜具有优异的压电系数和自极化性能。技术研发人员：刘丽莎,唐明猛,汪尧进,刘洋,高轩,戴乐受保护的技术使用者：南京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15