[发明专利]掺Mn的钛酸铋纳-钛酸铋钾-钛酸锶三元系压电薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电子材料领域，尤其是涉及一种掺Mn的钛酸铋纳-钛酸铋钾-钛酸锶三元系压电薄膜材料及其制备方法。

背景技术

压电铁电材料在信息的检测、转换、处理、显示和存储等方面具有广泛的应用，是重要的高技术功能材料，但目前占压电材料主导地位的仍然是铅含量高达70％的铅基压电材料锆钛酸铅(PZT)。铅基材料在制备、使用和废弃过程中对生态环境和人类健康造成严重危害，因此，研制无铅压电铁电材料，是关系到我国电子技术可持续发展的紧迫任务之一。在上世纪90年代，随着微加工技术的发展及人们对精密微位移器件的需求，电可调机敏应变材料成为了微电子技术材料研究的一个热点。近年来，对压电铁电薄膜材料与器件的需求日益增加，无铅压电铁电薄膜研究显得尤为重要。

(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃(BNT)基无铅压电陶瓷；K_1-xNa_xNbO₃(KNN)基无铅压电陶瓷；BaTiO₃(BT)基无铅压电陶瓷；铋层状结构无铅压电陶瓷；钨青铜结构无铅压电陶瓷。BNT是1960年由Smolensky等人发明的复合钙钛矿铁电体，室温时处于三角晶系，居里温度为320℃。其铁电性强(室温剩余极化强度P_r＝38μC/cm²)，压电系数大，介电常数小，热释电系数与PZT相当，声学性能好，烧结温度低，被认为是最具吸引力的无铅压电材料体系。然而，BNT矫顽场偏高(73kV/cm)，在铁电相区的电导率高，漏电流大，难以极化，因此必须在此基础上掺杂或引入其他的结构。制备BNT基无铅压电薄膜的方法主要有溶胶-凝胶法，磁控溅射法和激光脉冲沉积法等。(Y. Wu and X.Wang，J.Am.Ceram.Soc.，94(2011)1843；Y. Tanaka and T. Harigai，J.Am.Ceram.Soc.，95(2012)3547；D.Y. Wang，and N.Y. Chan，Appl.Phys.Lett.97(2010)212901)。其中溶胶-凝胶法具有化学计量比准确、成膜面积大、成膜均匀、设备简单等优势而被广泛采用。BNT基无铅压电薄膜结晶温度窄易形成焦绿石相、高温退火过程中铋和钠等元素易挥发造成结构缺陷，漏导增大。目前研究主要集中在A位取代改性上，例如BNT-BKT，BNT-BT等二元系无铅材料。(C.W. Ahn and S.S.Won，Curr.Appl.Phys.，12(2012)903；M.Cernea and L.Trupina，J.Alloys Compd.，515(2012)166；专利公开号1401611提供了BNT-BT；BNT-ST；BNT-CT BNT-PT多种复合结构薄膜)。专利公开号102244192A提供了一种钛酸铋钠和铁酸铋复合的薄膜材料，有效的降低了漏导。但是，有关BNT-BKT-ST三元系无铅压电薄膜的制备和性能研究还未见报道。本发明采用溶胶-凝胶工艺制备了Mn掺杂的BNT-BKT-ST三元系无铅压电薄膜，为提高压电和铁电性能具有非常重要的社会价值和经济意义。

发明内容

本发明解决的第一个问题是克服铅基压电薄膜在生产、使用和废弃过程中对人类和生态环境的危害，提供一种掺Mn的钛酸铋纳-钛酸铋钾-钛酸锶三元系无铅压电薄膜材料。

本发明解决的第二个问题是提供上述掺Mn的钛酸铋纳-钛酸铋钾-钛酸锶三元系无铅压电薄膜材料的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种掺Mn的钛酸铋纳-钛酸铋钾-钛酸锶三元系压电薄膜材料，其组分为：

0.95(0.8Bi_1/2Na_1/2TiO₃-0.2Bi_1/2K_1/2)TiO₃-0.05SrTiO₃+x mol％Mn，0＜x≤1.0。通过掺杂Mn元素，使得该三元系压电薄膜性能有了一定改进，压电常数最大可达93pm/V，与PZT薄膜相当。

作为优选的实施方式，Mn的掺杂量优选0.2mol％、0.5mol％或1.0mol％。

采用溶胶-凝胶法，制备钛酸铋纳-钛酸铋钾-钛酸锶三元系压电薄膜材料，包括以下步骤：

(1)前驱体溶液的配置：