[发明专利]高逆压电系数的钛酸铋钠基无铅压电薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及高逆压电系数的钛酸铋钠基无铅压电薄膜及其制备方法，该无铅压电薄膜化学组成为(0.94‑x)Bi_0.5Na_0.5TiO₃–0.06BaTiO₃–xBiInO₃，其中x为摩尔分数，x＝0～0.015，且不为0，其制备方法为金属有机物热分解法，即首先配置前驱体溶液，随后将溶液滴至洗净的Pt/TiO_x/SiO₂/Si基片上进行旋转涂覆，依次在不同温度下进行热处理，重复上述旋转涂覆以及热处理工艺，直至膜厚达到300–500纳米。与现有技术相比，本发明制备的具有高逆压电系数的钛酸铋钠基无铅压电薄膜具有优异的压电性能，其逆压电系数达76.6皮米/伏。

技术领域

本发明属于电子功能材料和器件领域，尤其是涉及一种具有高逆压电系数的钛酸铋钠基无铅压电薄膜及其制备方法。

背景技术

压电薄膜指的是具有压电性且厚度在数纳米至数十纳米的薄膜材料。同块体材料相比，压电薄膜既具有相似的力学、热学、声学、光学和电学性能，又具有体积小、工作电压低、能同半导体工艺相集成等优点，这使得它们在微电子学、光电子学、微机电学等许多高科技领域都有着广泛应用前景。

然而，目前商业化应用较为广泛的压电薄膜无一例外都是含铅压电薄膜，例如钛酸铅基和铌镁酸铅基压电薄膜等。众所周知，铅是一种具有很强毒性的神经毒素，制备和回收这些含铅量过高的压电薄膜都会给环境和人类带来严重损害。欧盟和我国都已先后出台一系列法律法规，以限制含铅压电薄膜的应用。对此，世界各国的研究者研发了一系列无铅压电材料，其中，钛酸铋钠具有无疑是最受研究者的关注的一种。这种材料具有钙钛矿结构，在室温下属三方相，具有良好的压电性和铁电性，居里温度约达320℃(Ferroelectrics,1982,40(1):75–77)，然而它的矫顽场较高，回滞较大，在一定程度上限制了它在压电材料方面的应用。

一系列相关研究表明，在加入第二或第三组元后，钛酸铋钠基压电薄膜在其准同型相界处具有优异的铁电和压电性能。其中性能较为优良的一种二元体系薄膜是Bi_0.5Na_0.5TiO₃–BaTiO₃二元体系薄膜，其被证明当Bi_0.5Na_0.5TiO₃和BaTiO₃的摩尔比在47:3时压电性能最好(J.Alloy.Compd.,2010,504(1):129–133)。此外，有研究表明，把同样具有典型的钙钛矿型结构BiInO₃作为第二或第三组元加入到含铅和无铅基体材料中能很好地调控材料的电学性能(Chem.Mater.,2006,18(7): 1964–1968；J.Mater.Res.,2004,19(7):2185–2193)。然而，这些研究主要集中于陶瓷材料之上，薄膜材料中的相关报道仍然极其匮乏，至于在Bi_0.5Na_0.5TiO₃–BaTiO₃二元体系薄膜中加入BiInO₃会对材料性能产生何种影响更是从未有人对此进行过研究。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有高逆压电系数的钛酸铋钠基无铅压电薄膜及其制备方法，由于二元体系薄膜中加入 BiInO₃会对材料性能产生何种影响更是从未有人对此进行过研究。基于此背景，我们制备了(0.94-x)Bi_0.5Na_0.5TiO₃–0.06BaTiO₃–xBiInO₃三元体系薄膜，发现当x 取到其优选值0.005时，所制备的压电薄膜具有优异的压电性能，逆压电系数达到76.6皮米/伏。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：