[发明专利]一种具有大光致伸缩效应器件的制作方法

说明书

本发明提出一种具有大光致伸缩效应器件的制作方法，是按照下述方式制备的：(1)选择具有取向的单晶作为导电衬底；(2)采用脉冲激光沉积法(也可以采用其它方法，只要能实现外延生长即可，例如分子束外延，MBE)在衬底上生长厚度为400‑600nm的压电薄膜；(3)采用脉冲激光沉积法(也可以采用其它方法，只要能实现外延生长即可，例如分子束外延，MBE)在压电薄膜上先生长导电薄膜、再生长绝缘层；在绝缘层上生长厚度为的铁电光伏层和电极。本申请通过掌握铁电多层膜的光驱动性多维度调控方法并弄清其机理，可以用于制作出具有大光致形变的光驱动器原型器件，为提高飞行器中操纵系统的抗电磁干扰能力奠定基础。

技术领域

本发明涉及一种光驱动器主要材料，具体涉及一种具有大光致伸缩效应器件的制作方法。

背景技术

战斗机等飞行器在现代战争(尤其是空战)中具有举足轻重的地位，其高空远程作战能力的强弱主要取决于操纵系统。随着现代战争向着数字化、信息化的方向发展，电磁环境日益恶劣、电子对抗更加激烈，提高飞行器中操纵系统的抗电磁干扰能力势在必行。驱动器是操纵系统中的关键组成部分，主要有电驱动、磁驱动及光驱动等形式。与电、磁驱动相比，光驱动器由于具有无电磁噪音干扰和无需外加电/磁场，且可实现无线远程控制、便于器件的轻量化、小型化、集成化等优点而备受青睐。

光驱动器主要依靠材料的光致伸缩效应工作，该类材料主要有非极性半导体、铁电材料、液晶弹性体。其中，铁电材料因具有光照响应快、光致伸缩效应较强等特性成为光驱动领域关注的热点。然而，从飞行器等对动力源的要求来看，其光致伸缩效应还不够强。为此，几十年来，国内外专家学者通过调控组成和工艺、优化测试条件等在一定程度上实现了铁电材料光致形变的提高，但如何大幅增强铁电材料的光致伸缩效应仍是一个重要而且急待解决的问题。

从其原理出发进行分析：铁电材料的光致伸缩效应是光伏效应与逆压电效应的耦合(即在光照下由于铁电材料的光伏效应而产生光生电压，然后在该电压提供的电场作用下，由于铁电材料的逆压电效应而产生形变)，其强弱通常采用光致形变x_ph(x_ph＝d₃₃E_ph，其中d₃₃为压电系数，E_ph为光生电场)来表征。那么，欲增强铁电材料的光致伸缩效应，则要求提高光生电场，增大压电系数。一方面，欲增强压电系数，则要求材料厚度小；另一方面，欲提高光生电场，则要求材料厚度大。总之，压电系数和光生电场两个方面对铁电材料尺度的要求是矛盾的，这是造成其光致伸缩效果不显著的重要原因。

既然铁电材料的光致伸缩效应是光伏效应与逆压电效应的耦合，而在单一材料中这两种效应存在相互抵触，因此可以设想：将铁电光伏层和压电层复合，同时考虑到集成化、小型化，构建出多层膜复合结构，如图1(a)所示。

为使图1(a)结构实现较强的光致伸缩效应，首要条件是铁电光伏层能产生大的光生电压并能有效作用于压电层。众多文献表明：膜厚越大，铁电材料的光生电压越高。因此，需设法增大图1(a)中铁电光伏层两电极间的距离，以获取高的光生电压，而薄膜厚度通常小于1微米，所能产生的光生电压十分有限。既然从厚度(纵向)上不能获取高光生电压，考虑从长度(横向)上来实现。也就是，将图1(a)中铁电光伏层的电极由上下结构改变为左右结构，如图1(b)所示。其次，为了提高集成度、简化结构，去掉图1(b)中的导线，得到图1(c)。但是，图1(c)结构存在两个不足：其一，左右电极之间的有效距离(～1毫米)较短，仅利用了光伏层长度的很小一部分(约为1/10)，不利于获取高光生电压；其二，由于压电层较薄(仅为数百纳米)，光伏层中的光生载流子很可能沿路径2经压电层传输至底电极，不能完全聚集在光伏层的左右电极，这也不利于获取高光生电压。为了克服这两个不足，需在光伏层下面插入绝缘层，如图1(d)所示。图1(d)结构具有强光致伸缩效应的必要条件是：光伏层具有高光生电压，压电层具有强逆压电效应，且这两层之间具有较强的正耦合效应。