[发明专利]具有压电增强效应的基于BZT-BCT的双层铁电薄膜

说明书

一种具有压电增强效应的基于BZT‑BCT的双层铁电薄膜，附着于Pt/Ti/SiO₂/Si复合衬底的表面，双层铁电薄膜沉积在Pt底电极上，自下而上分别为0.3Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃‑0.7(Ba_0.3Ca_0.7)TiO₃和0.7Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃‑0.3(Ba_0.3Ca_0.7)TiO₃。本发明的优点是：该双层铁电薄膜在室温下具有良好的铁电和压电性能，可以减小或消除电极对铁电畴运动的钉扎作用，压电效应比单层0.3Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃‑0.7(Ba_0.3Ca_0.7)TiO₃铁电薄膜提高一倍以上。

技术领域

本发明涉及双层铁电薄膜及其制备，特别是一种具有压电增强效应的基于BZT-BCT的双层铁电薄膜及其制备方法。

背景技术

自从Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃-(Ba_0.3Ca_0.7)TiO₃(BZT-BCT)基陶瓷具有惊人压电性能报道之后，对BZT-BCT基薄膜材料进行了多方面的探索，并且已在传感器件和生物纳米发电机中实现了应用。A.Piorra(A.Piorra et al.,J Appl.Phys.,2011,109:104101)计算出了BZT-BCT薄膜材料在弹性松弛的压电系数d₃₃介于190pm/V与250pm/V，但是利用PLD方法制备的BZT-BCT薄膜的压电性能只有78pm/V，他给出的解释是衬底的束缚限制了薄膜的压电响应。Luo等(B.C.Luo et al.,Appl.Phys.Lett.,2013,103:122903)利用离轴磁控溅射制得了不同取向的BZT-BCT薄膜，(111)取向的BZT-BCT样品具有相对最高的压电系数为100.165pm/V。由于基底对薄膜的钉扎作用，研究得到的BZT-BCT薄膜的压电系数远小于BZT-BCT块状晶体的压电系数。李伟力等(W.L.Li et al.,RSC Adv.,2014,4:56933-56937)用双靶共溅射制备出了具有纳米畴的BZT-BCT薄膜，薄膜压电系数高达258pm/V，远高于某些PZT薄膜。

铁电薄膜与底电极之间由于基底对其的钉扎作用及界面的扩散反应，使得铁电薄膜的性能远远低于其陶瓷块体。由于多层(双层)铁电薄膜可能出现的铁电、介电增强效应，近年来，研究者们通过制备多层膜和外延异质结构来改善铁电薄膜的电性能。基于MPB相结构的铁电双层薄膜的结构最早是由V.Nagarajan等(V.Anbusathaiah et al.,Adv Mater.,2009,21:3497)在PbZrO₃-PbTiO₃体系中实现，实验证明：以PbZr_0.7Ti_0.3O₃菱方晶相(Rhombohedral)为过渡层、以PbZr_0.3Ti_0.7O₃四方晶相(Tetragonal)为自由层的双铁电层薄膜，由于自由层中的铁弹性纳米畴的可逆极化翻转，PbZr_0.3Ti_0.7O₃自由层中电场控制电极化翻转的能力大大增强，该薄膜体系中获得了压电系数为220pm V^-1，远大于PZT单层薄膜的压电系数(约80pm/V)。