取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜。該復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，產生應力，易產生極化反轉，促使提升復合薄膜的壓電響應。
【專利說明】
取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜
技術領域
[0001]本實用新型屬于壓電器件材料技術領域，涉及一種應用于驅動器、傳感器、轉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合薄膜。【背景技術】
[0002]隨著我國經濟和科技的高速發(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，仍然達不到高性能壓電器件的機電耦合要求?！緦嵱眯滦蛢热荨?br>[0003]鑒于現(xiàn)有技術的不足，本實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合薄膜。該壓電復合薄膜不含鉛，使得在生產、使用及廢棄處理過程中均不會給人類及生態(tài)環(huán)境帶來嚴重危害。
[0004]為了實現(xiàn)本實用新型的目的，發(fā)明人利用晶格不匹配原理開發(fā)出具有異質外延界面的多種結晶相的復合材料，進而人工控制引入不同化學組成的異質外延界面，在其異質外延界面所產生的傾斜構造和應變也不會消失，同樣存在緩和的界面應變，容易發(fā)生產生極化反轉，誘發(fā)很大的壓電響應。
[0005]具體地，實現(xiàn)本實用新型技術目的的技術方案概況如下:
[0006]—種取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜，該復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]進一步優(yōu)選地，如上所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜，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。當然，如上所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜，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合薄膜，該復合薄膜的厚度的區(qū)間范圍為1?500微米。進一步優(yōu)選地，如上所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜， 該復合薄膜的厚度的區(qū)間范圍以100?200微米為最佳。當然，如上所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜，該復合薄膜的厚度的區(qū)間范圍可以為1?100微米或200?500微米。
[0012]再進一步優(yōu)選地，如上所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜，其中的上層電極及下層電極的材質為鋁、銅、鎳、鋅、錫、銀及其合金的一種，其厚度為0.1?10微米。
[0013]本實用新型的技術原理是: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，產生應力，易產生極化反轉，促使提升復合薄膜的壓電響應。
[0014]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有如下優(yōu)點和有益效果:
[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)加工成型過程簡單，不需要復雜的加工程序，生產過程簡單效果顯著，可實現(xiàn)工業(yè)化生產；[〇〇18](4)產品不含鉛，使得在生產、使用及廢棄處理過程中均不會會給人類及生態(tài)環(huán)境帶來嚴重危害?！靖綀D說明】
[0019]圖1是本實用新型實施例1的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜的剖面示意圖；
[0020]圖2是自由取向性二元壓電復合薄膜的剖面示意；
[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是本實用新型取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜與自由取向性二元壓電復合薄膜的8批次樣品的壓電常數(shù)(d33)比較?！揪唧w實施方式】
[0023]下面將結合附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。[〇〇24]實施例1:取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜的構造[〇〇25]如圖1所示，一種取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜，該復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，促使提升復合薄膜的壓電響應。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均為鋁，其厚度均為2微米。整個取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜的厚度約為120微米。[〇〇26]實施例2:壓電復合薄膜的制備[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6?12 小時，將所得產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/乙醇的混合液中進行混合球磨，24小時候將所得的漿料流延或者旋轉涂布，由于堿土金屬鈦酸鹽為二維形狀，流延或者旋轉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小時后，便可得到燒結體的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜。最后，使用離子濺射或溶液浸涂以及其它化學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。經檢測，取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復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合薄膜的平均壓電常數(shù)約為119pC/N(見圖3)。
【主權項】
1.一種取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜，其特征在于，該復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.根據權利要求1所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜，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.根據權利要求1所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜，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.根據權利要求3所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜，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.根據權利要求3所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜，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.根據權利要求1所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜，其特征在于，該復合薄 膜的厚度的區(qū)間范圍為1?500微米。7.根據權利要求6所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜，其特征在于，該復合薄 膜的厚度的區(qū)間范圍為100?200微米。8.根據權利要求6所述的取向性堿土金屬鈦酸鹽壓電復合薄膜，其特征在于，該復合薄 膜的厚度的區(qū)間范圍為1?100微米或200?500微米。
【文檔編號】H01L41/16GK205582970SQ201620222113
【公開日】2016年9月14日
【申請日】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, 郭進寶
【申請人】寶雞文理學院