[发明专利]一种(100)择优取向的PMN-PZT/PZT异质结构薄膜的制备方法

说明书

本发明公开一种(100)择优取向的PMN‑PZT/PZT异质结构薄膜的制备方法，属于压电薄膜材料制备领域。步骤包括：1)种子层制备。将钛酸四丁酯加入乙酰丙酮溶液，待混合液澄清后加入硝酸锆和乙酸铅，然后加入溶剂乙二醇甲醚，最后再加入甲酰胺作为稳定剂，制备种子层前驱体溶液，将种子层前驱体溶液沉积在Pt/Ti/SiO₂/Si衬底上，经热处理后得到PZT种子层；2)通过射频磁控溅射在种子层上交替沉积PZT和PMN‑PZT，形成异质界面数量为奇数的PMN‑PZT/PZT异质结构薄膜。采用本发明方法能够制得(100)择优取向且电性能优异的PMN‑PZT/PZT异质结构薄膜。

技术领域

本发明属于压电材料薄膜制备领域，涉及一种(100)择优取向的PMN-PZT/PZT异质结构薄膜的制备方法。

背景技术

锆钛酸铅(简称PZT)压电薄膜属于ABO₃型钙钛矿结构化合物，具备优良的介电、压电和铁电性能，已经广泛应用于传感检测装置、随机存储装置以及微机械执行机构当中。制备PZT压电薄膜有多种方法：如水热法、脉冲激光沉积法、金属有机气相沉积法、射频磁控溅射法以及溶胶凝胶法等，其中射频磁控溅射法具有成膜表面均匀、沉积速率可控、周期短、杂质少，适用于大面积沉积等诸多优点而广泛采用。

众所周知，相比(111)优选取向和多晶PZT薄膜，(100)择优取向的PZT薄膜具有更好的压电性能，适合作为驱动元件而应用于微执行机构当中。为提高(100)择优取向度，研究者们多在衬底上先沉积如PbO、SrRuO₃、LaNiO₃等种晶层，以此引导PZT薄膜沿(100)晶向生长，然而上述方法制备周期长且价格昂贵，不利于压电薄膜的实际生产和应用。

另外，欲提高薄膜电性能，研究人员常常通过制作不同组份或不同种类薄膜，形成多层异质结构，改善薄膜电学性能。B.He等利用脉冲激光沉积法将BaTiO₃和Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃薄膜交替沉积在Nb掺杂的SrTiO₃单晶衬底上，BaTiO₃/Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃铁电异质界面的存在导致薄膜的漏电与铁电性能显著改善。因此继续探索新的材料结构组合，改善薄膜性能并挖掘异质界面作用机制仍然值得进一步研究。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种(100)择优取向的PMN-PZT/PZT(铌镁酸铅-锆钛酸铅/锆钛酸铅)异质结构薄膜的制备方法，首先在Pt/Ti/SiO₂/Si衬底上沉积锆钛酸铅种子层，然后通过溅射工艺制备0.3Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.7Pb(Zr,Ti)O₃/Pb(Zr,Ti)O₃异质结构薄膜，得到(100)择优取向且电性能优异的压电薄膜，并研究了异质界面数量对薄膜微观结构与电性能的影响。

本发明的技术方案：

一种(100)择优取向的PMN-PZT/PZT异质结构薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1)、将钛酸四丁酯加入乙酰丙酮溶液中，待混合液澄清后加入乙酸铅和硝酸锆，再加入溶剂乙二醇甲醚，最后加入甲酰胺作为稳定剂，制备化学式为Pb_1.20(Zr_0.52Ti_0.48)O₃的种子层前驱体溶液；然后将种子层前驱体溶液沉积在Pt/Ti/SiO₂/Si衬底上，经热处理后得到PZT种子层。