[发明专利]铌酸盐基无铅铁电压电薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种铌酸盐基无铅铁电压电薄膜及其制备方法，属于电子信息材料技术领域。本发明以溶胶‑凝胶法在直径2英寸的基片上制备出高质量的铌酸钾钠(KNN)基压电薄膜。薄膜呈(100)择优取向的钙钛矿相，结构致密且均匀，表面粗糙度小，漏电流低，击穿场强高。溶胶‑凝胶法制备薄膜可达到原子或分子水平的均匀性，易于实现精确的成分控制和定量掺杂，并且可制备大面积薄膜，设备简单，用料省，成本低，易于实现工业化生产。制备得到的KNN基薄膜可用于制作压电微传感器、致动器、换能器等，在微机电系统(MEMS)领域具有非常广泛的应用。

技术领域

本发明涉及电子信息材料技术领域，具体而言，本发明涉及铌酸盐基无铅铁电压电薄膜及其制备方法。

背景技术

压电效应是由于应力T和应变S等机械量与电场强度E和电位移D(或极化强度P)等电学量之间的耦合效应造成的。具有压电效应的物体称为压电体。压电材料发生谐振时，特征尺寸越小，该尺寸方向上的谐振频率越高，压电薄膜由于尺寸在数十纳米和亚微米级别而在高频场合应用极具优势。此外，薄膜可以实现压电器件的平面化和集成化，使压电材料与半导体材料紧密结合，从而在微机电系统(MEMS)中具有非常广泛的应用。

目前使用最广泛的压电薄膜是锆钛酸铅(PZT)基压电薄膜。然而，由于PZT中含有大量有毒性的铅，在生产和废物处理过程中对环境和人体会造成很大的危害，因此，发展一种能够替代PZT的新型无铅压电薄膜至关重要。铌酸钾钠(KNN)基无铅压电薄膜由于压电性能高，机电耦合系数大，介电常数低等优点而引起了人们的广泛关注，成为最具有应用前景的无铅压电薄膜之一。

目前工业生产中常用的铁电压电薄膜的制备方法主要有真空蒸镀、磁控溅射和溶胶-溶胶法等。真空蒸镀不适用于高熔点材料，且薄膜与基板结合性较差，膜层容易脱落，薄膜均匀性不好。而磁控溅射存在靶材利用率低下、靶材制备困难和难以精确控制薄膜成分等问题。溶胶-溶胶法相比于真空蒸镀和磁控溅射法而言，具有以下特点：制备得到的薄膜能够达到原子或分子水平的均匀性，纯度高，易于实现精确的成分控制和定量掺杂；可实现大面积制备均匀的薄膜，适用于各种形状和材料的衬底；设备简单，用料省，成本低，易于实现工业化生产。然而，现有的压电薄膜及其制备方法仍有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出铌酸盐基无铅铁电压电薄膜及其制备方法。该压电薄膜能够达到原子或分子水平的匀称性，纯度高，易于实现精确的成分控制和定量掺杂，且具有易于大面积制备、工业化生产等优点。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备多晶铌酸盐基压电薄膜的方法，其特征在于，包括：(1)将金属醇盐、金属乙酰丙酮盐、金属乙酸盐、掺杂剂、pH值调节剂、稳定剂和溶剂混合，并进行第一热处理，得到混合溶胶；(2)将所述混合溶胶甩胶至衬底表面，并进行第二热处理，得到所述多晶铌酸盐基压电薄膜。该方法制备多晶铌酸盐基压电薄膜，易于实现精确的薄膜成分控制和定量掺杂，且具有生产设备简单、用料省、成本低，易于实现大面积制备和工业化生产等优点。同时，该方法制备得到的多晶铌酸盐基压电薄膜能够达到原子或分子水平的均匀性，且纯度高，适于应用至各种形状和材料的衬底。

另外，根据本发明上述实施例的多晶铌酸盐基压电薄膜还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述金属醇盐包括乙醇钾(KC₂H₅O)、乙醇钠(NaC₂H₅O)、乙醇铌(Nb(C₂H₅O)₅)、乙醇钽(Ta(C₂H₅O)₅)、正丙醇锆(ZrC₁₂H₂₈O₄)中的至少之一。

在本发明的一些实施例中，所述金属乙酰丙酮盐为乙酰丙酮锂(LiC₅H₇O₂)。