無鉛壓電薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高取向無鉛壓電薄膜的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前應(yīng)用廣泛的鐵電材料通常含鉛比例較高，對(duì)環(huán)境和人類健康是一致命威脅。無鉛NKBT具有較高的室溫居里溫度和強(qiáng)的電學(xué)性能，如鐵電性、熱釋電性等。溶膠凝膠法制備的NKBT薄膜具有極好的電學(xué)特性。NKBT薄膜目前已廣泛應(yīng)用于各類電力電子設(shè)備，如熱釋電紅外輻射探測器，因?yàn)樵O(shè)備基于NKBT薄膜具有一些重要優(yōu)勢:如室溫操作、從近紫外光到遠(yuǎn)紅外光譜響應(yīng)快、靈敏度好、成本低、簡單的設(shè)備結(jié)構(gòu)等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)鐵電性能優(yōu)異薄膜含鉛的技術(shù)問題，提供了一種無鉛壓電薄膜的制備方法。
[0004]無鉛壓電薄膜的制備方法如下:
[0005]—、將醋酸鈉、醋酸鉀和硝酸鉍加入醋酸中，然后在溫度為55°C?65°C條件下，攪拌速度為500r/min?700r/min的條件下攪拌20min?40min，得到A溶液；
[0006]將鈦酸四丁酯加入乙二醇甲醚和乙酰丙酮的混合溶液，在室溫下控制轉(zhuǎn)速為500r/min?700r/min攬摔20min?40min，再加入甲酰胺，繼續(xù)攬摔20min?40min，得到B溶液；
[0007]將冷卻至室溫的A溶液和B溶液混合均勻，得到C溶液，再加入乙二醇甲醚，調(diào)整C溶液的濃度為0.2mol/L?0.3mol/L，再在室溫下控制攪拌速度為500r/min?700r/min攪拌20min?40min，然后陳化24h，得到鈦酸鉍鈉鉀溶膠，
[0008]其中醋酸鈉與醋酸的比例為(0.046?0.049) g: lmL、醋酸鉀與醋酸的比例為(0.011?0.013) g: lmL、硝酸鉍與醋酸的比例為(0.321?0.323) g: lmL ;乙二醇甲醚與鈦酸四丁酯的摩爾比為(3.55?5.24):1，乙酰丙酮與鈦酸四丁酯的摩爾比為(0.98?
1.11):1，甲酰胺與鈦酸四丁酯的摩爾比為(0.48?0.65):1 ;
[0009]二、把硝酸鑭和醋酸鎳加入乙二醇甲醚中，然后在溫度55°C?65°C，轉(zhuǎn)速為500r/min?700r/min，攪拌20min?40min，最后添加乙二醇甲醚調(diào)節(jié)溶膠濃度為0.02?0.08mol/L,陳化24h后，得到鎳酸鑭溶膠，其中硝酸鑭與乙二醇甲醚的比例為(0.034?
0.038)g:lmL，醋酸鎳與乙二醇甲醚的比例為(0.019?0.023) g: lmL ；
[0010]三、利用勻膠機(jī)在Pt/Ti/Si02/Si襯底上，旋凃一層鎳酸鑭溶膠，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速為3500r/s?4500r/s，旋涂時(shí)間為12?18s，然后置于溫度為350°C?400°C的平板加熱器上預(yù)熱2min?4min，然后在550?650°C下快速退火處理30min，即得到晶化的LN0種子層；
[0011]四、在晶化的LN0種子層上旋凃一層鈦酸祕(mì)鈉鉀溶膠，置于溫度為400°C?500°C的平板加熱器上預(yù)熱30s?90s，得到NKBT薄膜；
[0012]五、按照步驟四的操作步驟重復(fù)5?7次，即得到LN0種子層調(diào)控的多層NKBT薄膜，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速為3500r/s?4500r/s，旋涂時(shí)間為12?18s ；
[0013]六、將制備好的LN0種子層調(diào)控的多層NKBT非晶態(tài)濕膜，在450°C?700°C進(jìn)行快速退火處理，退火時(shí)間為2min?4min，得到無鉛壓電薄膜。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
[0015]—、從保護(hù)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的角度來講，本發(fā)明制備的薄膜體系內(nèi)重金屬鉛含量為零，屬于可持續(xù)發(fā)展和無污染材料。
[0016]二、本發(fā)明提供了一種優(yōu)質(zhì)的種子層薄膜，即LN0薄膜，該薄膜和NKBT薄膜一樣都是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的薄膜，該薄膜不僅晶化溫度低，與Pt襯底有恰到好處的晶格錯(cuò)配，可以大大緩解后期薄膜晶化過程中Pt襯底對(duì)NKBT薄膜的影響；并且LN0薄膜與NKBT薄膜參數(shù)匹配，可以更好的為NKBT薄膜提供更多的形核質(zhì)點(diǎn)，使NKBT薄膜低溫晶化大幅度降低。
[0017]三、本發(fā)明中通過LN0優(yōu)化的NKBT薄膜實(shí)現(xiàn)低溫晶化，純NKBT薄膜的晶化溫度一般高達(dá)700°C，而通過LN0種子層薄膜的優(yōu)化調(diào)控后，NKBT薄膜的晶化溫度低至450°C，這對(duì)薄膜能實(shí)現(xiàn)微型化、集成化來說是一個(gè)最基本的條件。而且通過LN0種子層的調(diào)控，NKBT薄膜的鐵電、壓電、熱釋電性都有大幅度提高，并且LN0種子層更好的緩解Pt襯底和NKBT薄膜的晶格差異而產(chǎn)生的位錯(cuò)，使薄膜體系的漏電流降低，進(jìn)而從本質(zhì)上增大了薄膜耐疲勞性和使用壽命。
[0018]四、本發(fā)明工藝、設(shè)備非常簡單，所用原材料均為市場所售、價(jià)格低廉、成本較低，易于器件集成，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0019]圖1是實(shí)驗(yàn)一的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中不同退火溫度NKBT薄膜的X射線物相圖譜，圖中a)表示退火溫度700°C NKBT薄膜的X射線物相圖譜，b)表示退火溫度500°C NKBT薄膜的X射線物相圖譜，c)表示退火溫度450°C NKBT薄膜的X射線物相圖譜；
[0020]圖2是實(shí)驗(yàn)一中NKBT/LN0薄膜的X射線物相圖譜，圖中a)表示退火溫度700°C NKBT/LN0薄膜的X射線物相圖譜，b)表示退火溫度500°C NKBT/LN0薄膜的X射線物相圖譜，c)表示退火溫度450°C NKBT/LN0薄膜的X射線物相圖譜；
[0021]圖3是不同退火溫度實(shí)驗(yàn)一的NKBT/LN0薄膜及對(duì)比實(shí)驗(yàn)中NKBT薄膜的X射線反射率圖譜，圖中a)表示退火溫度450°C NKBT/LN0薄膜的X射線反射率圖譜，b)表示退火溫度500°C NKBT/LN0薄膜的X射線反射率圖譜，c)表示退火溫度700°C NKBT/LN0薄膜的X射線反射率圖譜，d)表示退火溫度700°C NKBT薄膜的X射線反射率圖譜；
[0022]圖4是不同退火溫度實(shí)驗(yàn)一的NKBT/LN0薄膜及對(duì)比實(shí)驗(yàn)中NKBT薄膜的IV曲線，圖中?表示退火溫度450°C NKBT/LN0薄膜的IV曲線，?退火溫度500°C NKBT/LN0薄膜的IV曲線，■退火溫度700°C NKBT/LN0薄膜的IV曲線，▲表示退火溫度700°C NKBT薄膜的IV曲線；
[0023]圖5是不同退火溫度實(shí)驗(yàn)一的NKBT/LN0薄膜及對(duì)比實(shí)驗(yàn)中NKBT薄膜的蝶型曲線圖譜，圖中a)表示退火溫度450°CNKBT/LN0薄膜的蝶型曲線圖譜，b)表示退火溫度500°C NKBT/LN0薄膜的蝶型曲線圖譜，c)表示退火溫度700°C NKBT/LN0薄膜的蝶型曲線圖譜，d)表示退火溫度700°C NKBT薄膜的蝶型曲線圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】間的任意組合。
[0025]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式無鉛壓電薄膜的制備方法如下:
[0026]—、將醋酸鈉、醋酸鉀和硝酸鉍加入醋酸中，然后在溫度為55°C?65°C條件下，攪拌速度為500r/min?700r/min的條件下攪拌20min?40min，得到A溶液；
[0027]將鈦酸四丁酯加入乙二醇甲醚和乙酰丙酮的混合溶液，在室溫下控制轉(zhuǎn)速為500r/min?700r/min攬摔20min?40min，再加入甲酰胺，繼續(xù)攬摔20min?40min，得到B溶液；
[0028]將冷卻至室溫的A溶液和B溶液混合均勻，得到C溶液，再加入乙二醇甲醚，調(diào)整C溶液的濃度為0.2mol/L?0.3mol/L，再在室溫下控制攪拌速度為500r/min?700r/min攪拌20min?40min，然后陳化24h，得到鈦酸鉍鈉鉀溶膠，
[0029]其中醋酸鈉與醋酸的比例為(0.046?0.049) g: lmL、醋酸鉀與醋酸的比例為(0.011?0.013) g: lmL、硝酸鉍與醋酸的比例為(0.321?0.323) g: lmL ;乙二醇甲醚與鈦酸四丁酯的摩爾比為(3.55?5.24):1，乙酰丙酮與鈦酸四丁酯的摩爾比為(0.98?
1.11):1，甲酰胺與鈦酸四丁酯的摩爾比為(0.48?0.65):1 ;
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