[发明专利]一种铌酸钾钠无铅压电厚膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及无机材料中铁电/压电厚膜的制备方法，特别涉及一种铌酸钾钠 (K_0.5Na_0.5NbO₃，KNN)无铅压电厚膜的制备方法，该方法基于改性的化学溶液涂 敷工艺。

背景技术

目前对压电材料的生产仍然集中于传统的锆钛酸铅Pb(Zr，Ti)O₃(PZT)基压电 陶瓷，但是PZT基陶瓷中氧化铅的含量超过原料总质量的60％以上。氧化铅是 一种易挥发的有毒物质，给人类及生态环境带来严重的危害，这有悖于人类社 会的可持续发展。

无铅压电材料铌酸钾钠(KNN)，由于其优异的压电性能，引起人们的广泛 关注并被认为是PZT基压电材料的替代品。另外，随着电子器件的小型化以及 新的微电子机械(MEMS)创建新型电子器件，压电材料也开始由陶瓷块体材 料向着薄膜材料的方向发展。目前为止所报道的纯KNN薄膜其铁电和压电性能 都普遍比较差，典型的电滞回线只在用脉冲激光沉积(PLD)法和气溶胶沉积(AD) 法制备的KNN薄膜中得到，然而却没有其压电性能的报道。

用化学溶液沉积(CSD)法制备的KNN薄膜因其存在大的漏导而难以得到饱 和极化的电滞回线；并且，在热处理过程中碱金属离子的挥发被公认为是影响 KNN体系铁电性能提高最重要的因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铌酸钾钠无铅压电厚膜的制备方法，该方法基 于改性的化学溶液涂敷工艺，其成本低，能够降低结晶温度、抑制碱金属离子 的挥发、降低漏导电流以提高KNN厚膜的电性能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种铌酸钾钠无铅压电厚膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备乙醇铌

按摩尔比NbCl₅∶乙醇＝1∶(10-20)分别称量无水氯化铌和无水乙醇，先将无 水氯化铌均匀分散于反应溶剂苯中，搅拌均匀后，滴入无水乙醇，再搅拌以促 进其充分反应，然后通入氨气以去除其中引入的多余离子Cl^-，将得到的白色沉 淀NH₄Cl抽滤，得到的滤液用苯进行洗涤，常压蒸馏除去苯和多余的无水乙醇 后，即得到纯的稳定的乙醇铌；

(2)制备铌酸钾钠前驱体溶液

根据铌酸钾钠K_0.5Na_0.5NbO₃的化学计量比，并考虑到热处理过程中碱金属 离子K⁺和Na⁺的挥发，按照摩尔比配方K∶Na∶Nb＝(0.525-0.65)∶ (0.525-0.65)∶1.00，分别称取无水乙酸钠、无水乙酸钾、乙醇铌；

再将无水乙酸钠和无水乙酸钾，溶于乙二醇甲醚溶液中，获得澄清透明的 钾、钠混合溶液；再将乙醇铌加入到上述钾、钠混合溶液中搅拌，形成澄清、 透明、均匀的铌酸钾钠溶液，并保证Nb⁵⁺浓度为0.5mol/L；

然后将聚乙烯吡咯烷酮PVP按照摩尔比为PVP单体∶Nb⁵⁺＝(0.5-1.5)∶1的 比例加入到铌酸钾钠溶液中搅拌，得到粘稠的铌酸钾钠前驱体溶液；

(3)制备厚膜

将步骤(2)所得铌酸钾钠前驱体溶液过滤后，在干燥、密封的条件下陈化 24小时；再采用旋转涂敷工艺涂敷在预先清洗干净的基底材料上；然后进行快 速热处理，其中，先在200℃下进行干燥，再在300℃-550℃的温度下热解3 分钟，最后在600℃-750℃的温度下退火5分钟；重复涂敷-热处理过程4-16 次，即得到致密无裂纹的厚度为0.8-5μm的铌酸钾钠无铅压电厚膜。

本发明的进一步改进在于：

在步骤(2)中，获得澄清透明的钾、钠混合溶液后，通过乙酸盐引入一种 掺杂离子Li⁺、Mn²⁺、Cu²⁺或Sr²⁺，其引入量为Nb⁵⁺的1mol％-7mol％，搅拌均匀 后再将乙醇铌加入到上述溶液中，形成澄清、透明、均匀的铌酸钾钠溶液，并 保证Nb⁵⁺浓度为0.5mol/L。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：