利用水基溶胶凝胶方法制备高居里点压电薄膜的方法

摘要

本发明公开了属于压电薄膜材料制备技术的一种利用水基溶胶凝胶方法制备高居里点压电薄膜的方法。此方法以钛酸四丁酯和其他金属阳离子的硝酸盐和醋酸盐为主要原料，以冰醋酸和去离子水为主要溶剂制备出稳定的溶胶。通过旋转涂覆镀膜，快速退火处理形成结构致密、成分均匀的压电薄膜。此薄膜具有良好的压电铁电性能，居里点高达435℃，晶粒尺寸为20nm～100nm，有效压电系数d₃₃^*约为80pC/N，可以和传统PZT薄膜相媲美。薄膜厚度可以控制在150nm～1μm。此成果适用于制造各种高温使用的压电铁电元器件，在航天、汽车、勘探等工业领域有着广泛的应用前景。

主权项

1.一种利用水基溶胶凝胶方法制备高居里点压电薄膜的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)水基溶胶凝胶的制备采用钛酸四丁酯与铋、铅和钪的硝酸盐或醋酸盐为主要原料，四种原料的摩尔比例为Pb∶Ti∶Bi∶Sc＝x∶x∶(1-x)∶(1-x)，0.5≤x≤0.8；以冰醋酸、去离子水和少量异丙醇为溶剂，以乙酰丙酮和甲酰胺为添加剂；首先将钛酸四丁酯、异丙醇和乙酰丙酮按体积比1∶a∶b，其中1≤a≤5，1≤b≤5；通过磁力搅拌混合均匀，然后加入c倍钛酸四丁酯体积的冰醋酸，其中5≤c≤15，搅拌10～30分钟后加入铋的硝酸盐或醋酸盐，待完全溶解后加入d倍钛酸四丁酯体积的去离子水，其中5≤d≤20，搅拌10～30分钟后按顺序先后加入铅和钪的硝酸盐或醋酸盐；最后待前驱体溶液变为澄清后，加入e倍钛酸四丁酯体积的甲酰胺，1≤e≤5；所有的制备步骤都在空气和室温下进行，将配置好的前驱体溶液放置10～15天老化形成溶胶；2)压电薄膜的制备采用上述1)制备好的溶胶在结构为Pt(111)/Ti/SiO2/Si的硅衬底上制备压电薄膜的步骤如下：(1)硅衬底的清洗，首先依次在去离子水中超声清洗3～15分钟；随后用浓度为12～18摩尔/升的硫酸或浓度为6～10摩尔/升的过氧化氢处理20～40分钟；最后将处理后的硅衬底洗净烘干即可使用；(2)利用注射器将溶胶通过孔径为200微米的过滤器滴在清洗好的硅衬底上，采用旋涂法镀膜，先在300～800转/分的转速下匀胶5～15秒，然后在2000～6000转/分的转速下甩胶10～60秒；(3)将薄膜用烘箱或者快速退火炉烘干；(4)将干燥后的薄膜放入快速退火炉中，在空气中以50～90℃/分钟的升温速率升温至250℃～500℃热解3～15分钟；(5)重复步骤(2)～(4)以达到150nm～1μm的薄膜厚度；(6)将热解后的薄膜放入快速退火炉中，在空气中以50～90℃/分钟的升温速率升温至550℃～800℃退火3～20分钟；随炉冷至室温后便获得薄膜的组分为(1-x)BiScO3-xPbTiO3，0.5≤x≤0.8，压电薄膜。