[发明专利]钛酸铋钠基和钛酸钡基多层复合压电薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电子材料领域，涉及一种压电薄膜材料及其制备方法，尤其是涉及一种钛酸铋钠基和钛酸钡基多层复合压电薄膜及其制备方法。

背景技术

压电铁电材料在信息的检测、转换、处理、显示和存储等方面具有广泛的应用，是重要的高技术功能材料，但目前占压电材料主导地位的仍然是铅含量高达70％的铅基压电材料锆钛酸铅(PZT)。铅基材料在制备、使用和废弃过程中对生态环境和人类健康造成严重危害，因此，研制无铅压电铁电材料，是关系到我国电子技术可持续发展的紧迫任务之一。

常见的无铅压电材料主要包括：钛酸钡基、铌酸盐系、含铋层状结构和含铋钙钛矿型等压电材料体系，这些材料和传统的锆钛酸铅(PZT)系压电材料相比有着各自的特点。对于钛酸钡基体系，在多晶型相变处具有极高的压电性能而受到人们的关注，其压电特性在某些方面可以同PZT材料相比拟。对于(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃(BNT)基的无铅压电材料，室温时处于三角晶系，居里温度为320℃。其铁电性强(室温剩余极化强度P_r＝38μC/cm²)，压电系数大，介电常数小，热释电系数与PZT相当，声学性能好，烧结温度低，被认为是最具吸引力的无铅压电材料体系。然而，BNT矫顽场偏高(73kV/cm)，在铁电相区的电导率高，漏电流大，难以极化，因此必须在此基础上掺杂或引入其他的结构。目前，对这类材料体系的电致应变有一些报道，在(0.94-x)Bi_0.5Na_0.5TiO₃-0.06BaTiO₃-xK_0.5Na_0.5NbO₃(BNT-BT-KNN)陶瓷块体中获得了0.45％的应变量，这一结果高于PZT基陶瓷材料，并且可以同铅基的反铁电材料相媲美。通过BaTiO₃复合量以及对掺杂其它元素的控制，可以获得材料的准同型相界，通过调整KNN的含量，在一定程度上达到降低铁电-反铁电相变温度和展宽相变区域的目的，从而为这一材料体系的实际应用提供了可能。

在上世纪90年代，随着微加工技术的发展及人们对精密微位移器件的需求，电可调机敏应变材料成为了微电子技术材料研究的一个热点。近年来，对压电铁电薄膜材料与器件的需求日益增加，无铅压电铁电薄膜研究显得尤为重要。压电薄膜是一类重要的多功能材料，具有良好的介电、铁电、压电、热释电和电致应变等特性，在微电子学、光电子学以及微机电领域有着广泛的应用，主要应用于铁电存储器、微传感器、微执行器和集成光电器件等。制备BNT基无铅压电薄膜的方法主要有溶胶-凝胶法，磁控溅射法和激光脉冲沉积法等。(Y.Wu and X.Wang，J.Am.Ceram.Soc.，94(2011)1843；Y.Tanaka and T.Harigai，J.Am.Ceram.Soc.，95(2012)3547；D.Y.Wang，and N.Y.Chan，Appl.Phys.Lett.97(2010)212901)。其中溶胶.凝胶法具有化学计量比准确、成膜面积大、成膜均匀、设备简单等优势而被广泛采用。BNT基无铅压电薄膜结晶温度窄，易形成焦绿石相，高温退火过程中铋和钠等元素易挥发造成结构缺陷，漏导增大。目前研究主要集中在A位取代改性上，例如BNT-BKT，BNT-BT等二元系无铅材料。(C.W.Ahn and S.S.Won，Curr.Appl.Phys.，12(2012)903；M.Cernea and L.Trupina，J.Alloys Compd.，515(2012)166；专利公开号1401611提供了BNT-BT；BNT-ST；BNT-CT BNT-PT多种复合结构薄膜)。专利申请号201310023716.9提供了一种通过Mn掺杂钛酸铋钠三元系无铅压电薄膜材料，有效降低了漏导提高了压电性能。专利公开号102244192A提供了一种钛酸铋钠和铁酸铋复合的薄膜材料，有效的降低了漏导。但是，有关BNT基与BT基无铅压电材料2-2复合的多层异质结构薄膜材料制备和性能研究还未见报道。

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压电性能，低损耗的钛酸铋钠基和钛酸钡基多层复合压电薄膜及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现；