[发明专利]制备锆钛酸铅柔性单晶薄膜的方法

说明书

本发明提供了一种制备锆钛酸铅柔性单晶薄膜的方法，包括：在单晶衬底上制备a面氧化锌缓冲层；在a面氧化锌缓冲层上外延生长锆钛酸铅单晶薄膜层，得到复合层结构；将复合层结构置于稀酸溶液中，采用湿法腐蚀工艺腐蚀a面氧化锌缓冲层，得到锆钛酸铅单晶薄膜；将锆钛酸铅单晶薄膜转移至柔性衬底上，得到柔性衬底支撑的锆钛酸铅柔性单晶薄膜。本发明可实现锆钛酸铅外延薄膜的柔性化，制备过程具有严格意义上的可控性及可重复性；本发明制备过程简单、成本低、适用范围广，对实现锆钛酸铅柔性电子器件研制具有重要推动作用。

技术领域

本发明涉及一种制备锆钛酸铅柔性单晶薄膜的方法。

背景技术

可穿戴、便携式电子器件是人工智能等新兴技术的关键之一，对材料的体积、重量、集成度、是否能够弯曲等方面提出了挑战。相比于传统的体材料而言，薄膜材料具有体积小，重量轻，易于集成等特点，被广泛应用于各领域，因此具有特殊功能的薄膜材料受到了广泛的关注。这些功能材料可能具有电学、光学、磁学和声学等方面的特殊性质，基于这些性质可以用于研制传感器、存储器、太阳能电池、换能器等。柔性薄膜材料则具备可弯曲、能折叠等特点，与传统的刚性薄膜材料相比，柔性薄膜材料适用范围更广，更具有应用前景。

锆钛酸铅是迄今为止人们发现的综合性能最优的铁电(压电)材料，具有居里温度高、饱和极化强度及矫顽场大小适中、压电系数大、化学稳定性和机械稳定性突出等优点，广泛应用于电容器、信息存储及MEMS等领域。目前，锆钛酸铅的应用主要局限在刚性体系中，其在柔性电子器件领域的应用相对较少。锆钛酸铅外延生长技术发展较为成熟，但要通过湿法腐蚀得到柔性锆钛酸铅单晶薄膜，关键是在锆钛酸铅与衬底之间插入一层晶格失配度、对称性及化学特性符合要求的牺牲层。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种制备锆钛酸铅柔性单晶薄膜的方法，以a面氧化锌作为牺牲层材料，通过湿法腐蚀a面氧化锌，最终得到柔性的锆钛酸铅单晶薄膜。

本发明提供一种制备锆钛酸铅柔性单晶薄膜的方法，包括：在单晶衬底上制备a面氧化锌缓冲层；在a面氧化锌缓冲层上外延生长锆钛酸铅单晶薄膜层，得到复合层结构；将复合层结构置于稀酸溶液中，采用湿法腐蚀工艺腐蚀a面氧化锌缓冲层，得到锆钛酸铅单晶薄膜；将锆钛酸铅单晶薄膜转移至柔性衬底上，得到柔性衬底支撑的锆钛酸铅柔性单晶薄膜。

进一步地，本发明的制备锆钛酸铅柔性单晶薄膜的方法，在单晶衬底上制备a面氧化锌缓冲层后，先在a面氧化锌缓冲层上外延生长籽晶层，然后在籽晶层上外延生长锆钛酸铅单晶薄膜层，其中籽晶层由钙钛矿型氧化物构成，籽晶层与a面氧化锌缓冲层晶格匹配。

进一步地，本发明的制备锆钛酸铅柔性单晶薄膜的方法，将复合层结构置于稀酸溶液中之前，包括在锆钛酸铅单晶薄膜层上设置保护层，用于保护锆钛酸铅单晶薄膜不受损伤。

进一步地，本发明的制备锆钛酸铅柔性单晶薄膜的方法，保护层为聚合物薄膜保护层，聚合物薄膜保护层能溶于有机物，可以被有机溶剂清洗去除。

进一步地，本发明的制备锆钛酸铅柔性单晶薄膜的方法，单晶衬底为r面蓝宝石或(001)取向的钙钛矿型氧化物。

进一步地，本发明的制备锆钛酸铅柔性单晶薄膜的方法，稀酸溶液浓度为体积分数1-30％。

进一步地，本发明的制备锆钛酸铅柔性单晶薄膜的方法，在单晶衬底上制备a面氧化锌缓冲层包括：采用磁控溅射方式将a面氧化锌沉积到单晶衬底上，其中，磁控溅射时沉积温度为25-800℃。

进一步地，本发明的制备锆钛酸铅柔性单晶薄膜的方法，在单晶衬底上制备a面氧化锌缓冲层的制备时间为1-100分钟。

进一步地，本发明的制备锆钛酸铅柔性单晶薄膜的方法，在a面氧化锌缓冲层上外延生长锆钛酸铅单晶薄膜层包括：采用磁控溅射方式将锆钛酸铅沉积到a面氧化锌缓冲层上，其中，磁控溅射时沉积温度为400-800℃。