專利名稱:一種自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及壓電/鐵電薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法。
背景技術(shù):
近年來,從環(huán)境振動(dòng)源中進(jìn)行能量收集越來越受到科研工作者的重視,該技術(shù)尤其適用于無線技術(shù)和低功率電子器件領(lǐng)域。該技術(shù)的一種實(shí)現(xiàn)方式是采用壓電材料將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。通常情況下,壓電材料沉積在襯底上并被其所束縛。但是,由于襯底只起支撐作用而并不能轉(zhuǎn)化電能,因此器件的能量轉(zhuǎn)化效率比較低且難與其他微電子器件集成。為了解決上述問題,人們提出了自支撐結(jié)構(gòu)薄膜來滿足要求。當(dāng)同樣的刺激施加到自支撐薄膜材料上時(shí),由于不存在襯底束縛力,薄膜會(huì)發(fā)生較大的形變。因此,與制備在襯底上的傳統(tǒng)薄膜相比,自支撐薄膜對(duì)外界刺激的感應(yīng)更加靈敏,例如,對(duì)于某些性能測(cè)試而言,當(dāng)輸入相同的信號(hào)時(shí),自支撐薄膜比傳統(tǒng)薄膜有更大的輸出信號(hào)。Kok等人在2009年用碳犧牲層法制備了 60微米的自支撐壓電厚膜。但是,由于絲網(wǎng)印刷成膜技術(shù)的局限,碳犧牲層法難于制備微米級(jí)別以下的自支撐薄膜。Massaro等在 2011年提出了用鉬做犧牲層制備400納米的氮化鋁納米帶用于能量收集,使能量轉(zhuǎn)化效率得到提高。但是,金屬鉬做為犧牲層,難于制備需要高溫沉積的薄膜材料。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)目前壓電/鐵電薄膜制備技術(shù)中由于采用襯底一方面對(duì)薄膜存在束縛力而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率低,另一方面引起器件不易集成等問題,提出一種制備自支撐壓電/鐵電薄膜的新方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法,如圖1所示,首先采用現(xiàn)有技術(shù)制備保留阻擋層的陽極氧化鋁薄膜(ΑΑ0,即英文 Anodic Aluminum Oxide Template的縮寫);然后在該陽極氧化鋁薄膜的阻擋層表面沉積底電極,接著在底電極表面依次沉積壓電/鐵電薄膜與頂電極,得到如圖2所示結(jié)構(gòu)的整體薄膜;最后用堿溶液腐蝕溶解保留阻擋層的陽極氧化鋁薄膜,得到如圖3所示結(jié)構(gòu)的薄膜, 即得到自支撐壓電/鐵電薄膜。所述的堿溶液包括但不限于氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銣(RbOH)、 氫氧化銫(CsOH)、氫氧化鈣(Ca(OH)2)、氫氧化鍶(Sr (OH) 2)、氫氧化鋇(Ba(OH)2)的水溶液等中的一種。所述的底電極包括但不限于鉬(Pt)、金(Au)、鈀(Pd)中的一種。所述的沉積壓電/鐵電薄膜的方法包括但不限于脈沖激光沉積(PLD)、濺射法 (Sputter)、分子束外延(MBE)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、電子束蒸發(fā)法等方法。
與現(xiàn)有的自支撐壓電/鐵電薄膜相比,本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)薄膜平整度高采用陽極氧化鋁薄膜作為基底,該陽極氧化鋁薄膜基底薄而多孔,機(jī)械強(qiáng)度低,并且該陽極氧化鋁薄膜是帶有阻擋層的陽極氧化鋁薄膜,在該陽極氧化鋁薄膜的阻擋層表面依次沉積Pt、Au、Pd等底電極與壓電/鐵電薄膜,能夠提高底電極的平整度,從而提高壓電/鐵電薄膜的平整度;(2)成本低、簡(jiǎn)單易行保留阻擋層的陽極氧化鋁薄膜的制備屬于現(xiàn)有技術(shù),該技術(shù)相對(duì)成熟,例如可以采用目前廣泛使用的電化學(xué)氧化-陽極氧化方法,即將清洗去污,拋光去除表面氧化層的高純度鋁片作為正極(陽極),鉬電極作為負(fù)極(陰極),將兩個(gè)電極置于電解液中(比如草酸溶液),然后通一定的電壓進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng),接著用氯化銅等溶液去除鋁片的基底,同時(shí)保留阻擋層,就得到保留阻擋層的陽極氧化鋁薄膜;待阻擋層表面沉積底電極與壓電/鐵電薄膜后,采用堿溶液腐蝕帶阻擋層的陽極氧化鋁薄膜,使阻擋層和陽極氧化鋁薄膜溶解在堿溶液中,從而得到自支撐的壓電/鐵電薄膜;因此,該制備方法成本低、簡(jiǎn)單易行;因此,本發(fā)明巧妙地將帶有阻擋層的陽極氧化鋁薄膜運(yùn)用在自支撐壓電/鐵電薄膜的制備中,將其作為基底制備壓電/鐵電薄膜,然后采用堿溶液腐蝕溶解的方法去除基底,得到自支撐壓電/鐵電薄膜,是一種成本低、轉(zhuǎn)換效率高、簡(jiǎn)單易行的方法,具有良好的應(yīng)用前景。
圖1是本發(fā)明自支撐壓電/鐵電薄膜的制備工藝流程圖;圖2是本發(fā)明未去除帶有阻擋層的陽極氧化鋁薄膜的整體薄膜結(jié)構(gòu)示意圖;圖3是本發(fā)明去除帶有阻擋層的陽極氧化鋁薄膜后得到的自支撐壓電/鐵電薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述,需要指出的是,以下所述實(shí)施例旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解,而對(duì)其不起任何限定作用。圖2與圖3中的附圖標(biāo)記為200-氧化鋁,201-阻擋層,202-底電極,203-壓電/ 鐵電薄膜,204-頂電極。實(shí)施例1 本實(shí)施例中,自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法包括兩個(gè)過程,即首先制備如圖2 所示結(jié)構(gòu)的整體薄膜,然后制備如圖3所示結(jié)構(gòu)的自支撐壓電/鐵電薄膜。具體步驟如下(1)如圖2所示,采用電化學(xué)氧化-陽極氧化方法制備保留阻擋層201的陽極氧化鋁(AAO) 200,具體如下①預(yù)處理首先將高純鋁片在馬弗爐中450°C退火證,然后用乙醇進(jìn)行超聲清洗, 去除鋁表面的污染物,接下來用乙醇和高氯酸4 1(體積比)的混合溶液進(jìn)行拋光,去除表面形成的天然氧化鋁層;②陽極氧化在0. 3mol/L的草酸溶液中進(jìn)行陽極氧化,以Pt作為陰極,經(jīng)①預(yù)處理的高純鋁片作為陽極,氧化池;
③去除背面鋁用加有高氯酸的氯化銅溶液,采用置換反應(yīng)去除鋁片背面未被氧化的鋁,得到帶有阻擋層201的陽極氧化鋁200 ;(2)在步驟(1)得到的陽極氧化鋁200的阻擋層201表面采用電子束蒸發(fā)沉積 200nm的鉬(Pt)襯底作為底電極202 ;(3)在步驟⑵得到的底電極202表面采用激光脈沖沉積法沉積鋯鈦酸鉛 PZT(53/47)作為壓電/鐵電薄膜203;(4)在步驟(3)得到的壓電/鐵電薄膜203表面采用電子束蒸發(fā)沉積50nm的金 (Au)頂電極204,得到如圖2所示的Au/PZT/Pt/AAO薄膜;(5)將上述制備得到的Au/PZT/Pt/AAO薄膜放入20%的KOH溶液中腐蝕5min,阻擋層201和陽極氧化鋁200與KOH反應(yīng)生成偏鋁酸鉀(KAlO2)溶解在溶液中,然后取出反應(yīng)后產(chǎn)物,得到如圖3所示的Au/PZT/Pt自支撐薄膜。實(shí)施例2 本實(shí)施例中,自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法與實(shí)施例1中的制備方法基本相同,所不同的是在步驟O)中采用磁控濺射法在步驟(1)得到的陽極氧化鋁200的阻擋層 201表面沉積200nm的Pt薄膜作為底電極202,在步驟(5)中采用20%的NaOH溶液腐蝕帶有阻擋層201的陽極氧化鋁200,其余步驟(1)、(3)與(4)與實(shí)施例1相同,制備得到如圖 3所示的Au/PZT/Pt自支撐薄膜。實(shí)施例3:本實(shí)施例中,自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法與實(shí)施例1中的制備方法基本相同,所不同的是在步驟(3)中采用磁控濺射法在步驟( 得到的底電極202表面沉積氧化鋅作為壓電/鐵電薄膜203;在步驟(5)中采用3. 5%的Ba(OH)2溶液腐蝕帶有阻擋層201 的陽極氧化鋁200,其余步驟(1)、(2)與(4)與實(shí)施例1相同,制備得到如圖3所示的Au/ ZnO/Pt自支撐薄膜。以上所述的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)說明,應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例,并不用于限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、 補(bǔ)充或類似方式替代等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法,其特征是首先采用現(xiàn)有技術(shù)制備保留阻擋層O01)的陽極氧化鋁薄膜O00);然后,在所述的陽極氧化鋁薄膜O00)的阻擋層 (201)表面沉積底電極002),接著在所述的底電極(20 表面依次沉積壓電/鐵電薄膜 (203)與頂電極Q04);最后,用堿溶液腐蝕保留阻擋層O01)的陽極氧化鋁薄膜000),使阻擋層(201)和陽極氧化鋁薄膜(200)溶解在堿溶液中,得到自支撐壓電/鐵電薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法,其特征是所述的堿溶液包括氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化銣、氫氧化銫、氫氧化鈣、氫氧化鍶、氫氧化鋇的水溶液中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法,其特制是所述的底電極(202)是Pt、Au、Pd中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法,其特征是所述的沉積壓電/鐵電薄膜O03)的方法包括脈沖激光沉積,濺射法,分子束外延,化學(xué)氣相沉積,物理氣相沉積,電子束蒸發(fā)法制備壓電/鐵電薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法,該方法首先采用現(xiàn)有技術(shù)制備保留阻擋層的陽極氧化鋁薄膜;然后,在所述的陽極氧化鋁薄膜的阻擋層表面沉積底電極,接著在所述的底電極表面依次沉積壓電/鐵電薄膜與頂電極;最后,用堿溶液腐蝕保留阻擋層的陽極氧化鋁薄膜,使阻擋層和陽極氧化鋁薄膜溶解在堿溶液中,得到自支撐壓電/鐵電薄膜。本發(fā)明的制備方法克服了襯底對(duì)薄膜存在束縛作用而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)化效率低、不易集成的問題,得到的自支撐壓電/鐵電薄膜具有平整度高、轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn),是一種成本低廉、簡(jiǎn)單易行的制備方法,具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01L41/22GK102569639SQ201210002889
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者尚杰, 左正笏, 李潤(rùn)偉, 詹清峰, 陳斌 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所