取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜。該復(fù)合薄膜從上至下依次為上層電極、鈦酸鹽層和下層電極，所述的鈦酸鹽層是由取向性堿土金屬鈦酸鹽A顆粒、取向性堿土金屬鈦酸鹽B顆粒按照晶軸取向一致的方式交替整齊排例而成，且兩種顆粒中的堿土金屬不同。由于兩種堿土金屬鈦酸鹽晶格常數(shù)很接近，致使在它們顆粒接觸面發(fā)生晶格扭曲，產(chǎn)生應(yīng)力，易產(chǎn)生極化反轉(zhuǎn)，促使提升復(fù)合薄膜的壓電響應(yīng)。
【專利說明】
取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于壓電器件材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)器、傳感器、轉(zhuǎn)換器或壓敏器件的薄膜，特別涉及一種具有高壓電性能、環(huán)境友好型的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜。【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的高速發(fā)展，高性能壓電器件的需求急劇增加。堿土金屬鈦酸鹽由于比其它無鉛壓電材料物具有較高的壓電性能，是代替含鉛材料的主要候選者，雖然有一定的應(yīng)用前景，但滿足不了現(xiàn)行環(huán)境友好型壓電器件的要求。研究最多的莫過于改性摻雜，然而效果不佳，仍然達(dá)不到高性能壓電器件的機(jī)電耦合要求?！緦?shí)用新型內(nèi)容】
[0003]鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜。該壓電復(fù)合薄膜不含鉛，使得在生產(chǎn)、使用及廢棄處理過程中均不會(huì)給人類及生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重危害。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，發(fā)明人利用晶格不匹配原理開發(fā)出具有異質(zhì)外延界面的多種結(jié)晶相的復(fù)合材料，進(jìn)而人工控制引入不同化學(xué)組成的異質(zhì)外延界面，在其異質(zhì)外延界面所產(chǎn)生的傾斜構(gòu)造和應(yīng)變也不會(huì)消失，同樣存在緩和的界面應(yīng)變，容易發(fā)生產(chǎn)生極化反轉(zhuǎn)，誘發(fā)很大的壓電響應(yīng)。
[0005]具體地，實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型技術(shù)目的的技術(shù)方案概況如下:
[0006]—種取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，該復(fù)合薄膜從上至下依次為上層電極、鈦酸鹽層和下層電極，所述的鈦酸鹽層是由取向性堿土金屬鈦酸鹽A顆粒、取向性堿土金屬鈦酸鹽B顆粒按照晶軸取向一致的方式交替整齊排例而成，且兩種顆粒中的堿土金屬不同。
[0007]優(yōu)選地，如上所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，其中的取向性堿土金屬鈦酸鹽A顆粒、取向性堿土金屬鈦酸鹽B顆粒的形狀均為球形、方形、片形、針狀、纖維狀或其它規(guī)則形狀。
[0008]優(yōu)選地，如上所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，其中的取向性堿土金屬鈦酸鹽A顆粒、取向性堿土金屬鈦酸鹽B顆粒的化學(xué)組成包括鋇、鍶、鈣的鈦酸鹽中的任一種。
[0009]優(yōu)選地，如上所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，其中的取向性堿土金屬鈦酸鹽A顆粒和取向性堿土金屬鈦酸鹽B顆粒的徑大小一致，范圍區(qū)間均為0.2?200微米。
[0010]進(jìn)一步優(yōu)選地，如上所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，其中的取向性堿土金屬鈦酸鹽A顆粒和取向性堿土金屬鈦酸鹽B顆粒的徑大小范圍區(qū)間以1?50微米為最佳。當(dāng)然，如上所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，其中的取向性堿土金屬鈦酸鹽A顆粒和取向性堿土金屬鈦酸鹽B顆粒的徑大小范圍區(qū)間可以為0.2?1微米或50?200微米。
[0011]優(yōu)選地，如上所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，該復(fù)合薄膜的厚度的區(qū)間范圍為1?500微米。進(jìn)一步優(yōu)選地，如上所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜， 該復(fù)合薄膜的厚度的區(qū)間范圍以100?200微米為最佳。當(dāng)然，如上所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，該復(fù)合薄膜的厚度的區(qū)間范圍可以為1?100微米或200?500微米。
[0012]再進(jìn)一步優(yōu)選地，如上所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，其中的上層電極及下層電極的材質(zhì)為鋁、銅、鎳、鋅、錫、銀及其合金的一種，其厚度為0.1?10微米。
[0013]本實(shí)用新型的技術(shù)原理是:由于兩種堿土金屬鈦酸鹽晶格常數(shù)很接近，致使在它們顆粒接觸面發(fā)生晶格扭曲，產(chǎn)生應(yīng)力，易產(chǎn)生極化反轉(zhuǎn)，促使提升復(fù)合薄膜的壓電響應(yīng)。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0015](1)提供了一種高壓電性能的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，與一般的鈦酸鋇摻雜薄膜相比，其壓電性能顯著提高，壓電常數(shù)約是自由取向性的4倍；[〇〇16](2)薄膜密度高，擇優(yōu)取向度高，組成的顆粒粒徑小，容易上電極；
[0017](3)加工成型過程簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的加工程序，生產(chǎn)過程簡(jiǎn)單效果顯著，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)；[〇〇18](4)產(chǎn)品不含鉛，使得在生產(chǎn)、使用及廢棄處理過程中均不會(huì)會(huì)給人類及生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重危害?！靖綀D說明】
[0019]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例1的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜的剖面示意圖；
[0020]圖2是自由取向性二元壓電復(fù)合薄膜的剖面示意；
[0021]其中:1、上層電極;2、取向性堿土金屬鈦酸鹽A顆粒;3、取向性堿土金屬鈦酸鹽B顆粒;4、下層電極。
[0022]圖3是本實(shí)用新型取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜與自由取向性二元壓電復(fù)合薄膜的8批次樣品的壓電常數(shù)(d33)比較?！揪唧w實(shí)施方式】
[0023]下面將結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。[〇〇24]實(shí)施例1:取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜的構(gòu)造[〇〇25]如圖1所示，一種取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，該復(fù)合薄膜從上至下依次為上層電極1、鈦酸鹽層5和下層電極4,鈦酸鹽層5是由取向性堿土金屬鈦酸鹽A顆粒2、取向性堿土金屬鈦酸鹽B顆粒3按照晶軸取向一致的方式交替整齊排例而成，且兩種顆粒中的堿土金屬不同，促使提升復(fù)合薄膜的壓電響應(yīng)。其中的取向性堿土金屬鈦酸鹽A顆粒為鈦酸鋇、取向性堿土金屬鈦酸鹽B顆粒為鈦酸鍶，二者的形狀均為方形，徑大小一致，為10微米。 另外，其中的上層電極及下層電極的材質(zhì)均為鋁，其厚度均為2微米。整個(gè)取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜的厚度約為120微米。[〇〇26]實(shí)施例2:壓電復(fù)合薄膜的制備[〇〇27] 首先稱取1.53g纖鐵礦，與過量20%的堿土金屬氫氧化物在100?200°C反應(yīng)6?12 小時(shí)，將所得產(chǎn)物用稀鹽酸洗滌后烘干便得到堿土金屬鈦酸鹽。然后將堿土金屬鈦酸鹽加入0.56g PVB和6mL聚乙烯醇/乙醇的混合液中進(jìn)行混合球磨，24小時(shí)候?qū)⑺玫臐{料流延或者旋轉(zhuǎn)涂布，由于堿土金屬鈦酸鹽為二維形狀，流延或者旋轉(zhuǎn)涂布便可以將其堆垛起來， 形成生坯。將生坯分別在500°C、900°C、1200?1250°C退火3?6小時(shí)后，便可得到燒結(jié)體的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜。最后，使用離子濺射或溶液浸涂以及其它化學(xué)氣相沉積法或物理氣相沉積法打上電極，便可形成取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜器件。
[0028]需要說明的是，在制備過程中，如果采取液壓成膜的方式代替上述流延或者旋轉(zhuǎn)涂布，其它工藝和原材料均相同，則制備出如圖2的自由取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜。圖1和圖2的根本區(qū)別在于:圖1的堿土金屬鈦酸鹽顆粒交錯(cuò)排例整齊，取向一致，而圖2 中的堿土金屬鈦酸鹽顆粒任意分布，顆粒排列雜亂無章。經(jīng)檢測(cè)，取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜的平均壓電常數(shù)為421pC/N，自由取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜的平均壓電常數(shù)約為119pC/N(見圖3)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，其特征在于，該復(fù)合薄膜從上至下依次 為上層電極、鈦酸鹽層和下層電極，所述的鈦酸鹽層是由取向性堿土金屬鈦酸鹽A顆粒、取 向性堿土金屬鈦酸鹽B顆粒按照晶軸取向一致的方式交替整齊排例而成，所述的取向性堿 土金屬鈦酸鹽A顆粒選自鈦酸鋇、鈦酸鍶或鈦酸鈣顆粒，取向性堿土金屬鈦酸鹽B顆粒選自 鈦酸鋇、鈦酸鍶或鈦酸鈣顆粒，且兩種顆粒中的堿土金屬不同。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，其特性在于，所述的取 向性堿土金屬鈦酸鹽A顆粒、取向性堿土金屬鈦酸鹽B顆粒的形狀均為球形、方形、片形、針 狀或纖維狀。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，其特征在于，所述的取 向性堿土金屬鈦酸鹽A顆粒和取向性堿土金屬鈦酸鹽B顆粒的徑大小一致，范圍區(qū)間均為 0.2?200微米。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，其特征在于，所述的取 向性堿土金屬鈦酸鹽A顆粒和取向性堿土金屬鈦酸鹽B顆粒的徑大小范圍區(qū)間為1?50微 米。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，其特征在于，所述的取 向性堿土金屬鈦酸鹽A顆粒和取向性堿土金屬鈦酸鹽B顆粒的徑大小范圍區(qū)間為0.2?1微 米或50?200微米。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，其特征在于，該復(fù)合薄 膜的厚度的區(qū)間范圍為1?500微米。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，其特征在于，該復(fù)合薄 膜的厚度的區(qū)間范圍為100?200微米。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復(fù)合薄膜，其特征在于，該復(fù)合薄 膜的厚度的區(qū)間范圍為1?100微米或200?500微米。
【文檔編號(hào)】H01L41/16GK205582970SQ201620222113
【公開日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年3月22日
【發(fā)明人】胡登衛(wèi), 潘拴拴, 牛曉梅, 楊得鎖, 王曉玲, 王宏社, 趙衛(wèi)星, 趙立芳, 郭進(jìn)寶
【申請(qǐng)人】寶雞文理學(xué)院