[发明专利]一种基于铌酸钾钠无铅压电纳米纤维的机电转换元件制备方法

说明书

【技术领域】

本发明属于无铅压电纳米材料与器件技术领域，更具体地，本发明涉及一种基于铌酸钾钠无铅压电纳米纤维的机电转换元件制备方法。

【背景技术】

压电材料具有独特的机电能量转换特性，近年来已被广泛应用于换能器、驱动器和传感器等领域。随着器件尺寸微型化和集成化的发展趋势，一维纳米材料由于其独特的物理、化学等性质，受到了广泛的关注。利用一维压电纳米材料的机电转换特性，可实现对环境中微小机械振动能量的收集及其向电能的转换，推动了自供电微纳电子元件的开发与应用。美国佐治亚理工学院王中林教授（G Zhu,R Yang,S Wang，“Flexible High-Output Nanogenerator Based on Lateral ZnO Nanowire Array”，《Nano letters》，10：3151–3155(2010)）开发了一系列基于ZnO纳米线的压电纳米发电机，例如一种采用柔性衬底制备的高电输出ZnO基纳米发电机。然而，ZnO材料的压电性能较差，导致纳米线单元的机电转换效率和电输出能力较低，制约了ZnO基纳米发电机的发展潜力。研制具有高机电转换效率的一维压电纳米材料，对提高纳米发电机的能量转换效率和电输出能力具有重要意义。2010年陈曦等人（X Chen,S Xu,N Yao，“1.6 Volt Nanogenerator for Mechanical Energy Harvesting Using PZT Nanofibers”，《Nano.Letters》，10:2133–2137(2010)）报道了钙钛矿结构Pb(Zr,Ti)O₃(PZT)一维纳米材料的机电转换性能，其输出电压高达1.6V。然而，PZT中含有毒的铅元素，对环境和人体均具有严重的伤害，且限制了该元件在医疗器件领域的应用。铌酸钾钠((K_0.5Na_0.5)NbO₃，KNN)具有较高的机电耦合系数和较低的介电常数，是最具潜力的无铅压电材料之一，极有希望取代ZnO成为组装机电转换元件的功能单元。目前KNN一维纳米材料的合成方法主要包括水热法和熔盐法，虽然获得的纳米棒为单晶结构，但纳米棒长度有限，不利于纳米发电机的构建，且材料产量低、重复性差制约了元件的批量生产。因此，本发明人提出采用静电纺丝技术在预定图案基片上大面积制备KNN无铅压电纳米纤维，设计并组装一种可批量生产且具有高电输出的KNN纳米纤维机电转换元件。

 【发明内容】

[要解决的技术问题]

本发明的目的是提供一种基于铌酸钾钠无铅压电纳米纤维的机电转换元件制备方法。

[技术方案]

本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明涉及一种基于铌酸钾钠无铅压电纳米纤维的机电转换元件制备方法。

该机电转换元件方法的步骤如下：

步骤A：电极的制备

1）光刻掩膜板制作：采用L-edit软件设计叉指电极预定图案，并使用Cr层光刻掩模板，例如南京清微电子技术有限责任公司制作的Cr层光刻掩模板，其中单个叉指电极图案尺寸为1cm×1cm，其叉指条纹宽度10~50μm与间距100~1000μm，其叉指条纹数量10~50个，所述叉指电极图案均匀地重复排布在边长70mm的正方形范围内，保证相邻叉指电极图案间距不小于2mm。

所述的L-edit软件是目前通常使用的Tanner Tools Pro工具软件中的一个软件包，可以在同一窗口中进行版图设计、设计规则检查、网表提取、标准单元自动布局与连线等工作。

采用L-edit软件设计的机电转换元件叉指电极图形见附图1。

优选地，所述叉指条纹宽度20~30μm与间距200~800μm。

2)基片清洗：将直径98~102mm、氧化层厚度950~1050nm的P100抛光氧化硅片先后用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗10~30min，然后在温度40~60℃的空气中烘干20~30min。

P100抛光氧化硅片是目前市场上销售的产品，例如上海黄埔新能源硅业公司生产的P100氧化硅片。

P100抛光氧化硅片清洗所使用的清洗剂是分析纯丙酮、分析纯无水乙醇和去离子水。

超声清洗所使用的超声仪是目前市场上销售的产品，例如张家港克力超声电器有限公司生产的KLY一体式单槽超声波清洗机，其功率通常是40W～100W。