[发明专利]具有高逆压电系数的钛酸铋钠基低铅压电薄膜及制备方法

说明书

本发明涉及具有高逆压电系数的钛酸铋钠基低铅压电薄膜及制备方法，该压电薄膜的化学组成为(0.85‑x)Bi_0.5Na_0.5TiO₃–0.15PbTiO₃–xBiInO₃，其中x为摩尔分数，x＝0～0.03，且不为0，采用金属有机物热分解法制备得到前驱体并涂覆在基片上。与现有技术相比，本发明制备的具有高逆压电系数的钛酸铋钠基低铅压电薄膜具有优异的压电性能，其逆压电系数达123.1皮米/伏。

技术领域

本发明属于电子功能材料和器件领域，尤其是涉及一种用于具有高逆压电系数的钛酸铋钠基低铅压电薄膜及其制备方法。

背景技术

压电薄膜指的是具有压电性且厚度在数纳米至数十纳米的薄膜材料。同块体材料相比，压电薄膜既具有相似的力学、热学、声学、光学和电学性能，又具有体积小、工作电压低、能同半导体工艺相集成等优点，这使得它们在微电子学、光电子学、微机电学等许多高科技领域都有着广泛应用前景。

然而，目前商业化应用较为广泛的压电薄膜无一例外都是以铅基材料为主体的压电薄膜，例如钛酸铅基和铌镁酸铅基压电薄膜等。众所周知，铅是一种具有很强毒性的神经毒素，制备和回收这些含铅量非常高的压电薄膜都会给环境和人类带来严重损害。欧盟和我国都已先后出台一系列法律法规，以限制含铅压电薄膜的应用。然而，迄今为止世界各国的研究者研发的一系列无铅压电材料的性能都不完全尽如人意，如钛酸铋钠基压电薄膜和铌酸钾钠基压电薄膜的逆压电系数分别只有 47 皮米/伏和 61 皮米/伏（J. Eur. Ceram. Soc., 2018, 38(4): 1450–1455）。这种情况下，就有研究者想到要在无铅压电薄膜的基体中加入少量铅元素，以期能在材料的性能和毒性之间达到一种平衡。

无铅材料中，相对最受人关注的无疑是钛酸铋钠了。这种材料具有钙钛矿结构，在室温下属三方相，具有良好的压电性和铁电性，居里温度约达 320 ℃（Ferroelectrics,1982, 40(1): 75–77）。于是就有研究者在钛酸铋钠基薄膜中加入了第二组元钛酸铅，制得的薄膜的逆压电系数得到了大幅提高（J. Eur. Ceram. Soc., 2017, 37(10): 3319–3327）。此外，有研究表明，把同样具有典型的钙钛矿型结构 BiInO₃作为第二或第三组元加入到含铅和无铅基体材料中能很好地调控材料的电学性能（Chem. Mater., 2006, 18(7):1964–1968；J. Mater. Res., 2004, 19(7): 2185–2193）。然而，这些研究主要集中于陶瓷材料之上，薄膜材料中的相关报道仍然极其匮乏，至于在 Bi_0.5Na_0.5TiO₃-PbTiO₃二元体系薄膜中加入 BiInO₃会对材料性能产生何种影响更是从未有人对此进行过研究。

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逆压电系数的钛酸铋钠基低铅压电薄膜及其制备方法，由于在 Bi_0.5Na_0.5TiO₃-PbTiO₃二元体系薄膜中加入 BiInO₃会对材料性能产生何种影响更是从未有人对此进行过研究，基于此背景，我们制备了 (0.85-x)Bi_0.5Na_0.5TiO₃-0.15PbTiO₃-xBiInO₃三元体系薄膜，发现当x取到其优选值 0.015 时，所制备的压电薄膜具有优异的压电性能，逆压电系数达到 123.1 皮米/伏。