[发明专利]一种(100)择优取向和高介电常数的锆钛酸铅压电薄膜的制备方法

说明书

一种(100)择优取向和高介电常数的锆钛酸铅压电薄膜的制备方法，属于压电材料薄膜制备领域。制备步骤包括：1)将钛酸四丁酯加入乙酰丙酮里，再加入乙二醇甲醚、乙酸铅、硝酸锆和甲酰胺，并通过酸碱调节剂调节溶液PH，制备化学式为Pb_1.25(Zr_yTi_1‑y)O₃和Pb_1.10(Zr_yTi_1‑y)O₃的两种锆钛酸铅前驱体溶液；2)将两种锆钛酸铅前驱体溶液按照m/n的层数比循环沉积在衬底上，重复沉积至所需厚度，热处理后得到具有(100)晶粒择优取向的锆钛酸铅薄膜。采用本发明方法制备的锆钛酸铅压电薄膜具有(100)晶向取向度高、介电与铁电性能优。

技术领域

本发明属于压电材料薄膜制备领域，涉及一种(100)择优取向和高介电常数的锆钛酸铅压电薄膜的制备方法。

背景技术

压电、铁电材料锆钛酸铅（简称PZT）是属于ABO₃型的钙钛矿相化合物，其化学式为Pb(Zr_yTi_1-y)O₃，在居里温度以下，当其化学组成在准同型相界附近时（即y=0.52或0.53），材料具有良好的压电、介电和铁电性能，使其在压电式喷墨打印头等微电子机械系统领域得到广泛关注。制备PZT压电薄膜的方法包括很多种，比如激光脉冲沉淀法、磁控溅射法、金属有机化学气相沉积法、化学溶液沉积法、溶胶-凝胶法等。其中，溶胶-凝胶法因具有制备周期短、化学成分控制稳定、工艺灵活简单等优点而得到广泛应用。

很多研究表明，(100)晶粒择优取向的PZT压电薄膜最适合应用于执行器中，因此为了制备(100)取向度较高的PZT压电薄膜，通常在衬底上预先溅射如SrRuO₃、LaNiO₃等种晶层，以此来引导PZT压电薄膜沿(100)晶向生长。然而上述方法存在价格昂贵、制备周期长等缺陷，不利于锆钛酸铅压电薄膜的实际生产和应用。

近年来，通过交替沉积形成超晶格或多层膜的方法来提高PZT介电性能的方法也备受关注。Wang等通过脉冲激光沉积方法将BaTiO₃/Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃(BTO/PZT)铁电超晶格生长在Nb掺杂的SrTiO₃(NSTO)单晶衬底上，结果在BTO/PZT超晶格中发现漏电流显著减少，并且还观察到更对称的电滞回线。利用磁控溅射方法，中科院物理研究所的Wang等在Pt/TiO₂/SiO₂/Si衬底上生长Pb(Zr₂₀Ti₈₀)O₃（四方相）/Pb(Zr₈₀Ti₂₀)O₃（菱形相）多层结构PZT薄膜，结果在多层膜中观察到增强的介电性能。

一般制备锆钛酸铅压电薄膜时需要经过高温退火处理，退火温度过高引起薄膜中的铅元素损失或与基底材料的相互扩散，从而导致制备的PZT薄膜出现除钙钛矿结构以外的其他相结构或产生大量空位缺陷，这些都会恶化薄膜微观结构和电气性能。因此关于如何补偿薄膜在高温退火时的铅损失，学者们也进行了广泛的研究。比如 Park等人在采用磁控溅射法制作PZT薄膜时，发现靶材中PbO含量过量2%时会使薄膜出现微裂纹并呈现出(100)、(110)和(111)的混合晶向；而PbO含量过量6%，微裂纹消失且薄膜表现出强烈的(111)优选取向；进一步地增加PbO过量10%时，微裂纹和混合晶向又再次出现。然而目前为止，还未见过采用溶胶凝胶法将过量Pb比例不同的两种锆钛酸铅前驱体溶液分层交替沉积形成多层PZT薄膜的有关报道。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种具有(100)择优取向和高介电常数的锆钛酸铅压电薄膜的制备方法，通过本发明的方法能够制得(100)取向度高且介电性能优异的锆钛酸铅压电薄膜。