專利名稱：一種反鐵電薄膜的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及反鐵電薄膜材料和能量存儲技術領域，尤其涉及一種反鐵電薄膜的制備方法，該方法能夠有效提高反鐵電薄膜的能量存儲性能。
背景技術：
能量輸出高、延時短的小型脈沖電源是現(xiàn)代科技領域一直尋求的目標。鐵電材料自研制出來后，很快在脈沖電源方面獲得應用。然而，鐵電材料在機電轉換過程中的能量轉換效率比較低，且輸出電壓小。與鐵電體相比，反鐵電體在基態(tài)時的剩余極化強度為0，因而擁有更高的能量轉換效率。經(jīng)過極化處理后，反鐵電體轉變成貯有電能的鐵電體，使用時通過施加一個較小壓力 就可使鐵電體轉變?yōu)榉磋F電體，在相變過程中釋放出所貯存的電能，形成一個大電量的脈沖。理論研究和試驗結果顯示，采用爆炸沖擊波作用方式，一個反鐵電材料(Icm3)在相變時的輸出電功率可高達數(shù)百千瓦。根據(jù)反鐵電體的儲能原理，提聞反鐵電體的飽和極化強度或者提聞反鐵電態(tài)與鐵電態(tài)間的轉變電場能夠使反鐵電體的能量存儲密度提高。目前研究人員一般采用在反鐵電體中摻雜不同的化學元素等方式提高反鐵電體的能量存儲密度。但是，對于成分固定的反鐵電體來說，提高其能量存儲密度的方法比較少。因此如何簡單、有效地提高反鐵電體的能量存儲密度是本領域科技工作者的研究課題之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術目的是針對上述反鐵電體的技術現(xiàn)狀，提供一種反鐵電薄膜的制備方法，該方法能夠有效提高反鐵電薄膜的能量存儲性能，包括提高其能量存儲密度，同時提高其能量轉換效率。本發(fā)明實現(xiàn)上述技術目的所采用的技術方案是一種反鐵電薄膜的制備方法，如圖I所示，包括如下步驟采用鍍鉬硅片，所述的鍍鉬硅片由硅片層、中間層和厚度為納米級的鉬薄膜層組成，所述的中間層是二氧化硅層，或是由二氧化硅層與鈦層組成的復合層；首先，將鍍鉬硅片放入腐蝕溶液，使鍍鉬硅片的中間層與腐蝕溶液反應被刻蝕，鉬薄膜從硅片上脫離而漂浮在溶液表面；然后，將鉬薄膜轉移到盛有去離子水的器皿中清洗；之后，將鉬薄膜轉移到與鉬不反應的耐高溫襯底上，干燥鉬薄膜；最后，在鉬薄膜上沉積反鐵電薄膜。所述的反鐵電材料不限，包括鋯酸鉛(PbZrO3)，以及由鈦、鑭、錫、鈮、鍶、鎂中的一種、兩種或三種元素摻雜的鋯酸鉛，例如鋯鈦酸鉛(Pb(Z r，Ti)03)、鑭鋯鈦酸鉛((Pb，La)(Zr, Ti)O3)、鑭鋯鈦錫酸鉛((Pb, La) (Zr, Ti, Sn)O3)等。所述的腐蝕溶液包括但不限于氫氟酸溶液，以及硫酸的雙氧水溶液等。當選用氫氟酸溶液時，溶液濃度優(yōu)選為3% 40%。當選用硫酸的雙氧水溶液時，硫酸和雙氧水的體積比優(yōu)選為19:1 1:2 ;硫酸的雙氧水溶液的溫度優(yōu)選為40 90°C。
所述的鍍鉬硅片的中間層與腐蝕溶液的反應時間優(yōu)選為4h 12h。作為優(yōu)選，所述鉬薄膜是由轉移基片轉移到盛有去離子水的器皿中，所述的轉移基片包括但不限于鍍鉬硅片，硅片或石墨烯紙。所述的耐高溫襯底包括但不限于鍍鉬硅片、硅片、石英玻璃、石墨烯紙等。所述的沉積反鐵電薄膜的方法包括但不限于脈沖激光沉積、濺射法、分子束外延、化學氣相沉積等方法。綜上所述，本發(fā)明采用由硅片層、中間層和鉬薄膜層組成的鍍鉬硅片襯底，通過腐蝕溶液刻蝕中間層而使鉬薄膜層脫離襯底，然后在鉬薄膜層表面沉積反鐵電薄膜，與現(xiàn)有的在鍍鉬硅片襯底表面直接沉積的反鐵電薄膜的制備方法相比，具有如下有益效果(I)反鐵電薄膜沉積在鉬薄膜層表面，由于脫離了襯底的束縛，反鐵電薄膜所受應力狀態(tài)發(fā)生改變，實驗證實有效提高了其能量存儲密度，同時也提高了能量轉換效率； (2)由于反鐵電薄膜沒有襯底，大大減少了儲能元件的體積，能夠實現(xiàn)儲能器件微型化，因而在高集成度科技發(fā)展的中具有較大的優(yōu)勢；(3)由于反鐵電薄膜沒有襯底，有效減輕了反鐵電薄膜的質量，從而使儲能器件輕便化。


圖I是本發(fā)明反鐵電薄膜的制備工藝流程圖；圖2是實施例I與對比實施例I中制得的反鐵電薄膜的電滯回線。
具體實施例方式下面結合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，需要指出的是，以下所述實施例旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。實施例I :本實施例中，反鐵電薄膜的制備方法具體步驟如下(I)采用鍍鉬硅片，該鍍鉬硅片由硅片層、中間層和厚度為納米級的鉬薄膜層組成，該中間層是二氧化硅層；首先，將鍍鉬硅片放入質量濃度為15%的氫氟酸中腐蝕6h，使二氧化硅中間層與氫氟酸溶液反應被刻蝕，鉬薄膜從襯底上脫落而漂浮在溶液表面；然后，將鉬薄膜轉移到盛有去離子水的器皿中清洗；(2)將步驟(I)得到的干凈的鉬薄膜轉移到硅片襯底上并干燥；(3)在步驟(2)得到的鉬薄膜表面采用激光脈沖沉積法沉積鋯鈦酸鉛PZT (95/5)反鐵電薄膜；(4)在步驟(3)得到的反鐵電薄膜表面采用電子束蒸發(fā)沉積50nm的銅(Cu)頂電極，得到Cu/PZT/Pt/襯底結構的薄膜；(5)將上述制備得到的Cu/PZT/Pt薄膜從硅片襯底上取下，得到反鐵電薄膜。對比實施例I :本實施例中，反鐵電薄膜的制備方法具體步驟如下(I)采用鍍鉬硅片，該鍍鉬硅片由硅片層、中間層和厚度為納米級的鉬薄膜層組成，該中間層是二氧化硅層；
(2)以步驟(I)中的鍍鉬硅片為襯底，在該襯底上采用與實施例I相同的方法及條件沉積鋯鈦酸鉛PZT (95/5)反鐵電薄膜；(3)在步驟(2)得到的反鐵電薄膜表面采用電子束蒸發(fā)沉積50nm的銅(Cu)頂電極，得到Cu/PZT/Pt/襯底結構的反鐵電薄膜；圖2為上述實施例I制得的具有Cu/PZT/Pt結構的反鐵電薄膜，以及對比實施例I制得的Cu/PZT/Pt/襯底結構的反鐵電薄膜的電滯回線，從圖中可以看出，本發(fā)明制備的反鐵電薄膜比常規(guī)方法制備的反鐵電薄膜的反鐵電態(tài)到鐵電態(tài)的轉變電場變大。表I為上述實施例I制得的Cu/PZT/Pt結構的反鐵電薄膜，以及對比實施例I制得的Cu/PZT/Pt/襯底結構的反鐵電薄膜的能量存儲性能比較，從表I中可以看出，本發(fā)明制備的反鐵電薄膜的能量存儲密度變大，能量存儲利用率也得到提高。表I :實施例I與對比實施例I制得的反鐵電薄膜的能量存儲性能比較·
權利要求
1.一種反鐵電薄膜的制備方法，其特征是包括如下步驟 采用鍍鉬硅片，所述的鍍鉬硅片由硅片層、中間層和厚度為納米級的鉬薄膜層組成，所述的中間層是二氧化硅層，或是由二氧化硅層與鈦層組成的復合層；首先，將鍍鉬硅片放入腐蝕溶液，使鍍鉬硅片的中間層與腐蝕溶液反應被刻蝕，鉬薄膜從硅片上脫離而漂浮在溶液表面；然后，將鉬薄膜轉移到盛有去離子水的器皿中清洗；之后，將鉬薄膜轉移到與鉬不反應的耐高溫襯底上，干燥鉬薄膜；最后，在鉬薄膜上沉積反鐵電薄膜。
2.根據(jù)權利要求I所述的反鐵電薄膜的制備方法，其特征是所述的反鐵電材料包括鋯酸鉛，以及由鈦、鑭、錫、鈮、鍶、鎂中的一種、兩種或三種元素摻雜的鋯酸鉛。
3.根據(jù)權利要求I所述的反鐵電薄膜的制備方法，其特征是所述的腐蝕溶液為氫氟酸溶液或濃硫酸的雙氧水溶液中的一種。
4.根據(jù)權利要求3所述的反鐵電薄膜的制備方法，其特征是所述的氫氟酸溶液的濃度為3% 40%。
5.根據(jù)權利要求3所述的反鐵電薄膜的制備方法，其特征是所述的濃硫酸和雙氧水的體積比為19:1 1:2。
6.根據(jù)權利要求3所述的反鐵電薄膜的制備方法，其特征是所述的濃硫酸的雙氧水溶液的溫度為40 90°C。
7.根據(jù)權利要求I所述的反鐵電薄膜的制備方法，其特征是所述的中間層與腐蝕溶液的反應時間為4 12h。
8.根據(jù)權利要求I所述的反鐵電薄膜的制備方法，其特征是所述的耐高溫襯底為鍍鉬硅片、硅片、石英玻璃或石墨烯紙。
9.根據(jù)權利要求I至8中任一權利要求所述的反鐵電薄膜的制備方法，其特征是所述的鉬薄膜是由轉移基片轉移到盛有去離子水的器皿中，所述的轉移基片為鍍鉬硅片、硅片或石墨烯紙。
10.根據(jù)權利要求I至8中任一權利要求所述的反鐵電薄膜的制備方法，其特征是采用脈沖激光沉積、濺射法、分子束外延、化學氣相沉積方法在鉬薄膜上沉積反鐵電薄膜。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種反鐵電薄膜的制備方法。該方法采用由硅片層、中間層和鉑薄膜組成的鍍鉑硅片；首先，將鍍鉑硅片放入腐蝕溶液中，使中間層與腐蝕溶液反應，鉑薄膜從硅片上脫離；然后，將鉑薄膜轉移到去離子水中清洗；之后，將鉑薄膜轉移到與鉑不反應的耐高溫襯底上并干燥；最后，在鉑薄膜上制備反鐵電薄膜。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明制得的反鐵電薄膜脫離了襯底的束縛，實驗證實有效提高了反鐵電薄膜的能量存儲密度，同時也提高了其能量轉換效率，作為儲能元件具有廣泛的應用前景。
文檔編號H01L41/39GK102891250SQ20121033230
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月10日 優(yōu)先權日2012年9月10日
發(fā)明者李潤偉, 左正笏, 詹清峰, 陳斌, 楊華禮, 劉宜偉 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所