[发明专利]一种高温下提高电容的电介质材料制备方法

说明书

本发明公开了一种高温下提高电容的电介质材料制备方法，该发明属于电容器元件及其材料制备技术领域。本发明采用脉冲激光沉积法制备锆钛酸铅Pb(Zr_0.2Ti_0.8)O₃薄膜，通过选取特定激光能量密度获取特定晶格大小的薄膜，通过优化薄膜的S(晶格参数a和b的乘积)和d(晶格参数c)值来提高电容值。该方法可以克服电容器在高温使用过程中电容减小，损耗值增大寿命缩短的现象。此外本方法所用激光能量较低，工艺简单，效率高，可操作性强。

技术领域

本发明涉及一种高温下提高电容的电介质材料制备方法，该发明属于电容器元件及其材料制备技术领域。

背景技术

随着航空航天、核能、冶金、石油化工、地质勘探等许多具有超高温环境领域的蓬勃发展，对超高温铁电压电材料的要求越来越迫切。然而，电容器作为电子电路的重要组成部分，其电容器所要挑战的工作温度越来越高。作为电子元器件的薄膜电容器的工作温度尤为重要。目前报道的金属化聚丙烯(MKP)薄膜电容器的工作温度也只在125℃左右，这严重影响了电子设备在超高温条件下的正常工作。通常，薄膜电容器的结构一般由上下两个电极和中间一层电介质材料组成，如图1所示。根据电容器的计算公式可知，电容器的电容量是随着上下两个电极板的相对面积和距离的变化而变化的，且还与两个极板之间的电介质材料有关。Pb(Zr,Ti)O₃(PZT)铁电薄膜作为一种重要的电介质材料，具有较高的介电系数和自发极化强度等特性可以应用在电容器领域，薄膜的电容可以增大器件中电容的电容率，缩小器件尺寸。目前，市场上的大量电容器寿命随着温度的升高而缩短，当电容器的工作温度接近极限温度时，其损耗值增加寿命大大缩短；电容的绝缘电阻也会随着温度的升高而降低，绝缘电阻的降低会导致漏电流增大，从而限制了电子设备在较高温度下的使用。

发明内容

1.发明目的：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种高温下提高电容的电介质材料的制备方法。本方法通过优化PZT的S(即薄膜的晶格参数a和b的乘积)和d(薄膜的晶格参数c)值，使S和d值随着温度的增加分别增大和减小来提高电容。该方法采用脉冲激光沉积(PLD)技术制备薄膜。

2.技术方案：

一种高温下提高电容的电介质材料的制备方法：通过脉冲激光沉积技术在C轴单晶衬底上生长锆钛酸铅Pb(Zr_0.2Ti_0.8)O₃薄膜，在动态氧气氛围中沉积后冷却到室温得到薄膜；通过选取特定的激光能量密度即可得到特定晶格大小的薄膜，通过优化薄膜的S和d值来提高电容值。

本发明所述C轴单晶衬底为SrTiO₃衬底。

本发明所述脉冲激光沉积技术的激光光源为KrF准分子激光，激光波长248nm，激光脉宽10ns，特定的激光能量密度为1～8J/cm²，激光频率2～8Hz。

本发明所述镀膜腔内的真空度为5×10^-4～1×10^-4Pa，生长温度560～620℃，动态氧压10～30Pa。

本发明所述在某个温度范围内薄膜电容器的电容量比室温电容器的电容量提高0.0％～6.28％。

本发明采用高介电常数的PZT薄膜材料做电介质，并通过选取特定激光能量密度使薄膜的晶格参数a和b的乘积(S)随温度增加而增加，亦或是d(晶格参数c)随温度的增加而减小来提高电容量，当激光能量密度为1～4J/cm²时，薄膜为普通相，对应的居里温度约为450℃，当激光能量密度为4～8J/cm²时，薄膜为高极化相对应的居里温度可达到800℃，从而实现了一种高温下提高电容的锆钛酸铅Pb(Zr_0.2Ti_0.8)O₃薄膜电介质材料的制备。