本發(fā)明涉及一種光驅(qū)動器主要材料，具體涉及一種具有大光致伸縮效應(yīng)器件的制作方法。

背景技術(shù)：

戰(zhàn)斗機等飛行器在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(尤其是空戰(zhàn))中具有舉足輕重的地位，其高空遠程作戰(zhàn)能力的強弱主要取決于操縱系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭向著數(shù)字化、信息化的方向發(fā)展，電磁環(huán)境日益惡劣、電子對抗更加激烈，提高飛行器中操縱系統(tǒng)的抗電磁干擾能力勢在必行。驅(qū)動器是操縱系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，主要有電驅(qū)動、磁驅(qū)動及光驅(qū)動等形式。與電、磁驅(qū)動相比，光驅(qū)動器由于具有無電磁噪音干擾和無需外加電/磁場，且可實現(xiàn)無線遠程控制、便于器件的輕量化、小型化、集成化等優(yōu)點而備受青睞。

光驅(qū)動器主要依靠材料的光致伸縮效應(yīng)工作，該類材料主要有非極性半導(dǎo)體、鐵電材料、液晶彈性體。其中，鐵電材料因具有光照響應(yīng)快、光致伸縮效應(yīng)較強等特性成為光驅(qū)動領(lǐng)域關(guān)注的熱點。然而，從飛行器等對動力源的要求來看，其光致伸縮效應(yīng)還不夠強。為此，幾十年來，國內(nèi)外專家學者通過調(diào)控組成和工藝、優(yōu)化測試條件等在一定程度上實現(xiàn)了鐵電材料光致形變的提高，但如何大幅增強鐵電材料的光致伸縮效應(yīng)仍是一個重要而且急待解決的問題。

從其原理出發(fā)進行分析：鐵電材料的光致伸縮效應(yīng)是光伏效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)的耦合(即在光照下由于鐵電材料的光伏效應(yīng)而產(chǎn)生光生電壓，然后在該電壓提供的電場作用下，由于鐵電材料的逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生形變)，其強弱通常采用光致形變xph(xph＝d33eph，其中d33為壓電系數(shù)，eph為光生電場)來表征。那么，欲增強鐵電材料的光致伸縮效應(yīng)，則要求提高光生電場，增大壓電系數(shù)。一方面，欲增強壓電系數(shù)，則要求材料厚度??；另一方面，欲提高光生電場，則要求材料厚度大?？傊?，壓電系數(shù)和光生電場兩個方面對鐵電材料尺度的要求是矛盾的，這是造成其光致伸縮效果不顯著的重要原因。

既然鐵電材料的光致伸縮效應(yīng)是光伏效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)的耦合，而在單一材料中這兩種效應(yīng)存在相互抵觸，因此可以設(shè)想：將鐵電光伏層和壓電層復(fù)合，同時考慮到集成化、小型化，構(gòu)建出多層膜復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。

為使圖1(a)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)較強的光致伸縮效應(yīng)，首要條件是鐵電光伏層能產(chǎn)生大的光生電壓并能有效作用于壓電層。眾多文獻表明：膜厚越大，鐵電材料的光生電壓越高。因此，需設(shè)法增大圖1(a)中鐵電光伏層兩電極間的距離，以獲取高的光生電壓，而薄膜厚度通常小于1微米，所能產(chǎn)生的光生電壓十分有限。既然從厚度(縱向)上不能獲取高光生電壓，考慮從長度(橫向)上來實現(xiàn)。也就是，將圖1(a)中鐵電光伏層的電極由上下結(jié)構(gòu)改變?yōu)樽笥医Y(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。其次，為了提高集成度、簡化結(jié)構(gòu)，去掉圖1(b)中的導(dǎo)線，得到圖1(c)。但是，圖1(c)結(jié)構(gòu)存在兩個不足：其一，左右電極之間的有效距離(～1毫米)較短，僅利用了光伏層長度的很小一部分(約為1/10)，不利于獲取高光生電壓；其二，由于壓電層較薄(僅為數(shù)百納米)，光伏層中的光生載流子很可能沿路徑2經(jīng)壓電層傳輸至底電極，不能完全聚集在光伏層的左右電極，這也不利于獲取高光生電壓。為了克服這兩個不足，需在光伏層下面插入絕緣層，如圖1(d)所示。圖1(d)結(jié)構(gòu)具有強光致伸縮效應(yīng)的必要條件是：光伏層具有高光生電壓，壓電層具有強逆壓電效應(yīng)，且這兩層之間具有較強的正耦合效應(yīng)。

國內(nèi)外學者在如何提高鐵電薄膜的光生電壓和壓電薄膜的逆壓電效應(yīng)兩方面開展了較深入的研究，并取得了一系列有價值的研究結(jié)果。然而，現(xiàn)在面臨的問題是：如何實現(xiàn)鐵電光伏層與壓電層之間較強的正耦合效應(yīng)。

從其結(jié)構(gòu)和原理上進行分析：(1)欲使光伏層產(chǎn)生高光生電壓，則鐵電光伏薄膜中電疇應(yīng)沿水平取向；欲使壓電層產(chǎn)生大的形變，則其電疇應(yīng)沿豎直方向取向。因此，需對光伏層和壓電層中晶粒、電疇的取向進行調(diào)控研究。(2)由于壓電層具有逆壓電效應(yīng)，會對光伏層產(chǎn)生應(yīng)力，從而影響光伏層的微結(jié)構(gòu)和光伏性能。反之，由于鐵電光伏層在光照下產(chǎn)生一定的形變，會對壓電層產(chǎn)生應(yīng)力，從而影響壓電層的微結(jié)構(gòu)和壓電性能。另外，在壓電層/電極、光伏層/電極等界面處存在應(yīng)力，也會對光伏層、壓電層的微結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生影響。因此，需對圖1(d)中復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進行調(diào)控研究。(3)由于功函數(shù)不同，在壓電層/電極、光伏層/電極等界面處存在勢壘，可能會降低光伏層產(chǎn)生的光生電壓和作用于壓電層的電場強度，從而減弱復(fù)合多層膜結(jié)構(gòu)的光致形變。因此，需對圖1(d)中復(fù)合結(jié)構(gòu)的界面勢壘進行調(diào)控研究。

綜上所述，利用鐵電材料的光致伸縮效應(yīng)可制作抗電磁干擾、無需外加電/磁場(易實現(xiàn)遠程控制，有利于小型化、集成化、輕量化)的光驅(qū)動器，但是單一鐵電材料的光伏效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)對材料尺度的要求相互矛盾。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種具有大光致伸縮效應(yīng)器件的制作方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：一種具有大光致伸縮效應(yīng)器件的制作方法，是按照下述方式制備的：

(1)選擇具有取向的單晶作為導(dǎo)電襯底；

(2)采用脈沖激光沉積法在襯底上生長厚度為100～1000nm的壓電薄膜；

(3)采用脈沖激光沉積法在壓電薄膜上先生長導(dǎo)電薄膜、再生長絕緣層；在絕緣層上生長厚度為400～600nm的鐵電光伏層和電極。

所述導(dǎo)電襯底為具有取向的srruo3單晶，所述導(dǎo)電薄膜是srruo3薄膜。

所述壓電薄膜為鋯鈦酸鉛鍶薄膜。

所述絕緣層為tbsco3絕緣層。

所述鐵電光伏層為bfo薄膜。

所述的絕緣層采用兩步脈沖沉積方式制備：

a.利用掩膜遮擋電極i，生長絕緣層至于電極i等高；

b.撤去掩膜，沉積絕緣層至相應(yīng)的厚度。

針對單一鐵電材料的光伏效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)對材料尺度的要求相互矛盾的問題，本發(fā)明提出采用鐵電光伏層與壓電層復(fù)合實現(xiàn)強光致伸縮效應(yīng)的思路，圍繞如何實現(xiàn)光伏層的高光生電壓與壓電層的強逆壓電效應(yīng)高效協(xié)同的問題，通過研究鐵電復(fù)合多層膜的光致形變-晶粒取向-電疇取向-工藝參數(shù)的關(guān)系，找出復(fù)合多層膜的光致形變量隨取向變化的規(guī)律，掌握復(fù)合多層膜取向調(diào)控的方法并弄清其內(nèi)在機制；通過研究復(fù)合多層膜的光致形變量-界面應(yīng)力-材料體系的關(guān)系和光致形變量-形變應(yīng)力的關(guān)系，掌握應(yīng)力有效調(diào)控復(fù)合多層膜的光致形變的方法，清楚了應(yīng)力對鐵電復(fù)合多層膜光致伸縮效應(yīng)的作用機制。另外，通過研究復(fù)合多層膜的光致形變-界面勢壘-退火工藝的關(guān)系，可以掌握界面勢壘調(diào)控復(fù)合多層膜光致形變的方法，弄清鐵電光伏層的光生電壓有效作用于壓電層的機理。本申請通過掌握鐵電多層膜的光驅(qū)動性多維度調(diào)控方法并弄清其機理，制作出具有大光致形變的光驅(qū)動器原型器件，為提高飛行器中操縱系統(tǒng)的抗電磁干擾能力奠定基礎(chǔ)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1(a)、(b)、(c)和(d)為復(fù)合多層膜結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為壓電形變與光伏層光生電壓測試結(jié)構(gòu)。

圖3為兩步法制作絕緣層工藝流程示意圖。

圖4為bfo薄膜的xrd圖譜。

圖5為bifeo3薄膜的形貌電疇圖。

圖6為bfo薄膜的sem圖像。

圖7為光照之后的伸縮量(光致伸縮)。

圖8為開路電壓(光照之后的i-v曲線)。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

一種具有大光致伸縮效應(yīng)器件的制作方法，是按照下述方式制備的：

(1)選擇具有取向的單晶作為導(dǎo)電襯底；

采用脈沖激光沉積法(也可以采用其它方法，只要能實現(xiàn)外延生長即可，例如分子束外延，mbe)在襯底上生長厚度為100～1000nm的壓電薄膜；

(3)采用脈沖激光沉積法(也可以采用其它方法，只要能實現(xiàn)外延生長即可，例如分子束外延，mbe)在壓電薄膜上先生長導(dǎo)電薄膜、再生長絕緣層；在絕緣層上生長厚度為400～600nm的鐵電光伏層和電極。

為實現(xiàn)壓電層的取向生長及制備出性質(zhì)優(yōu)異的薄膜，選擇具有取向的srruo3(sro)單晶作為導(dǎo)電襯底(也可以是其它單晶，只要能導(dǎo)電，晶格常數(shù)與壓電薄膜差不多即可，例如鈮摻雜的鈦酸鍶：ston)。優(yōu)選采用的導(dǎo)電薄膜是srruo3薄膜。

常見的壓電薄膜材料主要有氧化鋅(zno，d33約為數(shù)十pm/v)、鋯鈦酸鉛(pzt，d33max＝419pm/v)、鋯鈦酸鉛鍶(pszt，d33＝400～600pm/v)、鋯鈦酸鉛鑭(plzt，d33≈400pm/v)、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(pmn-pt，d33≈90pm/v)、鈣鈦酸鋇鈣(bct-bzt，d33≈150pm/v)、鈦酸鋇(bto，d33≈100pm/v)、鐵酸鉍(bfo，d33≈70pm/v)等。由此可見，pszt鐵電薄膜的壓電性能最佳，因此本申請擬選用壓電系數(shù)高的pszt作為壓電層材料。即優(yōu)選的，壓電薄膜為鋯鈦酸鉛鍶薄膜。

常用的電極材料有金屬(au、pt等)和氧化物。為了保證壓電層和光伏層的取向生長和質(zhì)量，選擇同為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、與壓電層和光伏層晶格匹配較好的sro作壓電層和光伏層的電極，同理，選擇tbsco3(tso)作為絕緣層材料。

光伏材料主要有：plzt、bfo、batio3等。據(jù)文獻報道：當電極間距離僅為數(shù)百微米時，bfo薄膜表面可獲得高達50v的光生電壓，所以，本申請擬選用bfo作為光伏層材料。

所述的絕緣層采用兩步脈沖沉積方式制備，如圖3所示：

a.利用掩膜遮擋電極i，生長絕緣層至于電極i等高；電極i指圖3中電極的水平部分。

b.撤去掩膜，沉積絕緣層至相應(yīng)的厚度。

(1)取向調(diào)控，具體如下：

采用脈沖激光沉積技術(shù)在sro襯底上以系列不同的基片溫度、靶-基距、激光能量、頻率和氧壓等工藝條件下生長pszt薄膜(膜厚為100～1000nm)，通過x衍射圖譜確定pszt薄膜能夠成相且外延生長的條件。在此條件范圍內(nèi)，通過準確、更精細地調(diào)控各參數(shù)(如基片溫度、靶-基距、激光能量、激光頻率、生長氧壓、退火氧壓及時間等工藝)制備出各種pszt薄膜，利用掃描探針顯微鏡及高分辨透射電子顯微鏡對pszt薄膜的形貌、壓電性、電疇結(jié)構(gòu)進行觀測、研究，確定薄膜表面平整度、電疇結(jié)構(gòu)、壓電性與生長條件的關(guān)系。通過分析、總結(jié)得到薄膜微結(jié)構(gòu)(電疇結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、晶粒取向)的實驗圖譜和數(shù)據(jù)，找出pszt薄膜的微結(jié)構(gòu)及壓電性隨制備工藝變化的規(guī)律，掌握通過調(diào)節(jié)生長工藝參數(shù)來調(diào)控pszt薄膜微結(jié)構(gòu)及壓電性質(zhì)的方法。

同理，采用脈沖激光沉積技術(shù)在已生長的pszt薄膜上分別生長sro導(dǎo)電薄膜和tso絕緣層之后，在tso薄膜上生長bfo薄膜(膜厚為400nm～600nm，寬度為5～10mm)。

具體生長參數(shù)為：

sro：用脈沖激光沉積法在基片上制備電極，首先將取向的基片分別在丙酮、酒精中用超聲波進行清洗，晾干；用砂紙將基片臺進行打磨，并清洗干凈，將晾干的基片用導(dǎo)熱銀膠粘在基片臺上；晾干后放入腔體中加熱臺上，開始抽真空至10-4pa，加熱基片臺650～750℃，比如650℃、700℃或750℃，加熱要緩慢，比說如加熱到700℃用90min左右，用擋板將基片擋住，并通入所需氣體到40～50pa；進行預(yù)濺射以去掉靶材表面的污物，使靶材露出新鮮的表面，預(yù)濺射過程一般為2～5min，預(yù)濺射過程中，調(diào)整激光光路、靶距等參數(shù)，使羽輝末端與基片臺相切；轉(zhuǎn)動基片臺及靶材，并使激光在x、y方向來回掃描；待溫度、氣壓穩(wěn)定之后，移開擋板，進行沉積，制備電極層；電極層制備的時候根據(jù)薄膜厚度選擇合適的沉積時間，比如，脈沖激光頻率設(shè)置為2hz，能量為200mj，如果制備的sro厚度為20nm的時候，沉積1min。

tso：用脈沖激光沉積法在基片上制備，首先將取向的基片分別在丙酮、酒精中用超聲波進行清洗，晾干；用砂紙將基片臺進行打磨，并清洗干凈，將晾干的基片用導(dǎo)熱銀膠粘在基片臺上；晾干后放入腔體中加熱臺上，開始抽真空至10^-4pa，加熱基片臺750～850℃，比如750℃、800℃或850℃，加熱要緩慢，比說如加熱到800℃用100min左右，用擋板將基片擋住，并通入所需氣體到30～70pa；進行預(yù)濺射以去掉靶材表面的污物，使靶材露出新鮮的表面，預(yù)濺射過程一般為2～5min，預(yù)濺射過程中，調(diào)整激光光路、靶距等參數(shù)，使羽輝末端與基片臺相切；轉(zhuǎn)動基片臺及靶材，并使激光在x、y方向來回掃描；待溫度、氣壓穩(wěn)定之后，移開擋板，進行沉積，制備電極層；電極層制備的時候根據(jù)薄膜厚度選擇合適的沉積時間，比如，脈沖激光頻率設(shè)置為2hz，能量為200mj，如果制備的sro厚度為20nm的時候，沉積1min。

bfo：將溫度設(shè)置到600～700°，比如600℃、650℃或700℃，把靶材轉(zhuǎn)換成bto，將氧氣設(shè)為15pa；達到目標溫度后，用擋板將基片擋住，并通入所需氣體到到15pa(如果制備的下電極是氧化物，則需要通入氧氣，或者氧氣與惰性氣體的混合氣體。如果下電極是金屬，例如pt，au，等，則不需要通入氣體)；設(shè)定激光的能量240mj和頻率參數(shù)5hz，進行預(yù)濺射以去掉bfo靶材表面的污物，使靶材露出新鮮的表面，預(yù)濺射時間一般為2～5min，預(yù)濺射過程中，調(diào)整激光光路和靶距等參數(shù)，使羽輝末端與基片臺相切。轉(zhuǎn)動基片臺及靶材，并使激光在x、y方向來回掃描；待溫度、氣壓穩(wěn)定之后，移開擋板，進行沉積，得到bfo薄膜。沉積500nm左右的bfo需要一個小時，沉積結(jié)束之后，按照需要充入一定的氣體(如果制備的下電極是氧化物，則需要通入氧氣，或者氧氣與惰性氣體的混合氣體。如果下電極是金屬，例如pt，au，等，則不需要通入氣體)并緩慢降溫。

(2)鐵電多層膜應(yīng)力調(diào)控研究

依據(jù)襯底、pszt、電極、bfo各層的晶格常數(shù)，計算各層間的晶格錯配度，判斷其界面應(yīng)力的類型(拉或壓應(yīng)力)，并利用薄膜應(yīng)力測試儀測試各層間的應(yīng)力(面內(nèi)、面外)大小。通過研究壓電層/電極、光伏層/電極、光伏層/絕緣層等界面處的應(yīng)力類型、大小、方向與與生長條件的關(guān)系，找出界面處應(yīng)力隨制備工藝變化的規(guī)律，掌握通過調(diào)節(jié)濺射工藝參數(shù)來調(diào)控界面應(yīng)力的方法。通過研究光伏層的光生電壓與壓電層形變產(chǎn)生的應(yīng)力之間的關(guān)系以及壓電層的逆壓電效應(yīng)與光伏層的形變產(chǎn)生的應(yīng)力之間的關(guān)系，掌握光伏層、壓電層形變產(chǎn)生的光伏層、壓電層形變產(chǎn)生的應(yīng)力調(diào)控復(fù)合多層膜的光致形變的方法，弄清形變應(yīng)力對鐵電復(fù)合多層膜光致伸縮效應(yīng)的作用機理。如圖3所示。

(3)鐵電多層膜界面勢壘調(diào)控研究

采用i-v測試系統(tǒng)通過對復(fù)合多層膜中電極/壓電層/電極、電極/光伏層/電極的漏電流特性進行測定，找出界面勢壘與退火工藝的關(guān)系，找出bfo薄膜的微結(jié)構(gòu)及鐵電性隨制備工藝(主要是濺射溫度和氧分壓)變化的規(guī)律，通過分析、總結(jié)界面勢壘隨制備工藝的變化規(guī)律，掌握通過控制制備工藝來調(diào)控多層膜界面勢壘的方法。通過研究復(fù)合多層膜的光致形變與界面勢壘的關(guān)系，掌握界面勢壘調(diào)控復(fù)合多層膜光致形變的方法，弄清鐵電光伏層的光生電壓有效作用于壓電層的機理。

在此基礎(chǔ)上，掌握維度調(diào)控復(fù)合多層膜的光致形變的方法及弄清其內(nèi)在機理，制作出具有大光致形變的鐵電多層膜光驅(qū)動器原型器件。

(4)非規(guī)則絕緣層制備技術(shù)

為獲得高質(zhì)量的鐵電光伏層，要求絕緣層具有平整的表面。但絕緣層具有非規(guī)則的結(jié)構(gòu),如圖1(d)所示,采用一次沉積方式難以得到平整的表面。因此，本申請采用兩步法，如圖3(a)、3(b)和3(c)中所示突破非規(guī)則絕緣層制備技術(shù)：第一步，采用掩膜遮擋電極ι，生長絕緣層直至與電極ι等高，如圖3(b)；第二步，撤去掩膜，沉積所需厚度的絕緣層，如圖3(c)所示。

從圖(4)中可以看到，所制備的bfo薄膜為外延生長的。

利用掃描探針顯微鏡的壓電力模式(pfm)研究了bfo薄膜的電疇結(jié)構(gòu)，如圖5所示)。圖中的面外相位(pha1)的亮色區(qū)域代表極化方向朝下，黑色區(qū)域代表極化方向朝上；面內(nèi)相位(pha2)的亮色區(qū)域代表極化方向向左，黑色區(qū)域代表極化方向向右。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，存在一個晶粒之中有兩種不同的極化方向，形成兩個電疇(圖中亮圈所示，圖5(a)、(c)、(e)；或者相鄰的幾個晶粒為一種極化方向，形成一個電疇(如暗圈所示，圖5(a)、(c)、(e)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。