[发明专利]一种具有(100)取向的掺钆锆钛酸铅薄膜及其制备方法

说明书

本发明提供一种具有(100)取向的掺钆锆钛酸铅薄膜及其制备方法。本发明的具有(100)取向的掺钆锆钛酸铅薄膜的制备方法，包括如下顺序进行的步骤：1)以乙酸铅、硝酸钆、硝酸锆和钛酸四丁酯为原料，乙二醇甲醚为溶剂，乙酰丙酮和甲酰胺为稳定剂，制备化学式为Pb_1‑xGd_x(Zr_yTi_1‑y)O₃的掺钆锆钛酸铅前驱体溶液，其中x为0.01‑0.05，y为0.52‑0.53，乙酰丙酮与甲酰胺的摩尔比为(0.80‑1.50)：(2.00‑2.55)；2)将所述掺钆锆钛酸铅前驱体溶液沉积在衬底上，热处理，得到具有(100)取向的掺钆锆钛酸铅薄膜，其中热处理包括：先在150‑180℃下快速干燥，然后在350‑450℃下热分解，再在600‑700℃退火处理。本发明的制备方法能够制得(100)晶向取向度高且介电性能优异的掺钆锆钛酸铅薄膜。

技术领域

本发明涉及一种锆钛酸铅薄膜，特别涉及一种具有(100)取向的掺钆锆钛酸铅薄膜及其制备方法。

背景技术

锆钛酸铅(PZT)化学式为PbZr_yTi_1-yO₃，是ABO₃型钙钛矿相化合物，在居里温度以下，当原子比Zr/Ti＝0.52:0.48或0.53:0.47时(即y＝0.52或0.53)，材料的介电、铁电和压电性能尤为突出。

目前，锆钛酸铅材料已经广泛应用于超声换能器中。此外，随着微机械电子系统(MEMS)的发展，该材料也广泛应用于微机电系统中，例如微执行器、微传感器等，其执行单元大部分利用该材料作为驱动部件。鉴于微机电系统具有微小尺寸等特征，因此要求PZT材料的厚度在微米级范围。

现有制备PZT压电薄膜的方法包括：激光脉冲沉淀(PLD)、射频溅射、气相沉积(CVD)、化学溶液沉积法(CSD)、溶胶-凝胶法(Sol-gel)等。其中，溶胶-凝胶法因制备周期短、化学成分控制稳定、制得薄膜的结构致密等优点而得到广泛应用。

此外，研究表明：(100)择优取向的PZT压电薄膜具有更高的压电系数，在微机电系统上应用更具有优势。为了制备得到(100)取向度较高的PZT压电薄膜，通常在衬底上预先溅射一层与(100)择优取向的PZT薄膜晶格较为匹配的材料作为种晶层，种晶层材料例如可以为SrRuO₃、LaNiO₃等。上述溅射种晶层的方法制作周期长，且价格较为昂贵。

近年来，对PZT材料进行掺杂改性是该材料的研究热点之一。PZT材料的掺杂改性通常指加入除Pb、Zr、Ti元素以外的金属元素来达到改变PZT材料性能的方法。掺杂改性方式可分为硬性掺杂、等价掺杂、软性掺杂和复合掺杂等；其中，硬性掺杂即低价掺杂，其通过引入低价离子以取代高价离子，形成受主掺杂作用；等价掺杂为掺杂离子半径、化学价态等与被掺杂离子属性相近的离子；软性掺杂即高价掺杂，其通过引入高价离子代替原有离子，形成施主掺杂作用；复合掺杂所掺杂的离子既可取代A位离子又可取代B位离子，并且可采用多种离子进行掺杂。

掺钆锆钛酸铅(PGZT)是在PZT材料中引入Gd³⁺离子，其能够使薄膜的介电、铁电、压电和抗疲劳性得到一定的改善。孙秋等人制备了Gd掺杂的PZT铁电薄膜并对其微观结构和铁电性进行了相关研究(参见孙秋等，Gd掺杂PZT铁电薄膜的微观结构和铁电性研究[J]，稀有金属材料与工程，2005年第34卷增刊1，841-844页)。然而，其所用锆源是锆的醇盐，由于醇盐易水解，所以配置前驱体时要求在干燥封闭环境下进行操作，工艺相对复杂，增加了制造成本；特别是，该方法制备的薄膜晶向取向杂乱，(100)晶向的取向度α₁₀₀仅为59％，介电性能不佳。因此特别期待一种能够制备得到具有(100)高度取向的掺钆锆钛酸铅薄膜的方法。

发明内容

本发明提供一种具有(100)取向的掺钆锆钛酸铅薄膜及其制备方法，该制备方法能够制得(100)晶向取向度高且介电性能优异的掺钆锆钛酸铅薄膜。