一种高性能锆钛酸铅压电薄膜底电极的制备方法技术

一种高性能锆钛酸铅压电薄膜底电极的制备方法，属于薄膜压电材料制备领域。制备步骤包括：1)在SiO2/Si衬底上磁控溅射制备得到Pt‑Ti/Ti/SiO2/Si底电极材料；2)以乙酸铅、硝酸锆和钛酸四丁酯为原料，乙酰丙酮和甲酰胺为稳定剂，乙二醇甲醚为溶剂，制备化学式为Pb(ZryTi1‑y)O3的锆钛酸铅前驱体溶液；3)将锆钛酸铅前驱体溶液分别沉积在Pt‑Ti/Ti/SiO2/Si和Pt/Ti/SiO2/Si底电极上，并进行热处理，重复沉积和热处理步骤若干次后得到(100)择优取向的锆钛酸铅压电薄膜。本发明专利技术的制备方法能够制得(100)择优取向度高的锆钛酸铅压电薄膜。

Preparation of a High Performance Lead Zirconate Titanate Piezoelectric Film Bottom Electrode

【技术实现步骤摘要】
一种高性能锆钛酸铅压电薄膜底电极的制备方法
本专利技术属于薄膜压电材料制备领域，特别涉及一种高性能锆钛酸铅压电薄膜底电极的制备方法。
技术介绍
锆钛酸铅(简称PZT)是属于ABO3型的钙钛矿压电材料，其化学式为Pb(ZryTi1-y)O3，当原子比Zr/Ti＝0.52:0.48或0.53:0.47时，该材料具有良好的压电、介电和铁电性能。一般来说，在微机电系统上用作驱动单元的PZT薄膜一般需要有较好的压电性能。研究表明：(100)择优取向度高的PZT压电薄膜具有更高的压电系数，应用于微执行器件上时会更具有优势。此外，PZT薄膜的基底材料对PZT薄膜的生长与性能有很大影响。许多学者通过溅射与(100)择优取向的PZT薄膜晶格较为匹配的缓冲层基底材料，如SrRuO3、LaNiO3等来制备(100)择优取向的PZT压电薄膜，但该方法价格高且周期长。另外一种主流的基底材料就是Pt/Ti/SiO2/Si基底，其中金属Ti的作用主要是粘结氧化层与电极层，而Pt又与PZT薄膜的晶格常数，热膨胀系数较为匹配，可作为较理想的底电极材料。同时，许多研究报道基底Ti原子的扩散对PZT薄膜的生长有很大影响。KatsuhiroAoki等人在PZT薄膜与电极之间引入Ti缓冲层，他们发现钛酸铅在Ti缓冲层的作用下优先成核，降低了PZT薄膜的结晶温度，同时使得生长出的PZT薄膜表面更加均匀、致密。本专利技术在SiO2/Si衬底上制备得到Ti-Pt/Ti合金电极，研究了不同组分的Ti-Pt合金电极对溶胶凝胶法制备的PZT薄膜的晶向及电学性能的影响。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种高性能锆钛酸铅压电薄膜底电极的制备方法，该方法能够制得(100)择优取向度较高的锆钛酸铅压电薄膜。本专利技术以乙酸铅、硝酸锆和钛酸四丁酯为原料，利用溶胶-凝胶法制备锆钛酸铅前驱体溶液，并将前驱体溶液按照沉积在Pt-Ti/Ti/SiO2/Si底电极上。在Pt-Ti/Ti/SiO2/Si底电极中，氧化层上溅射的Ti层主要起粘结作用，而与Pt同时沉积的Ti元素则会分散于Pt层表面，有效改善后沉积PZT薄膜的(100)择优取向度和电性能。本专利技术的技术方案：一种高性能锆钛酸铅压电薄膜底电极的制备方法，包括如下步骤：1)在SiO2/Si衬底上磁控溅射制备得到Pt-Ti/Ti/SiO2/Si底电极；2)以乙酸铅、硝酸锆和钛酸四丁酯为原料，乙酰丙酮和甲酰胺为稳定剂，乙二醇甲醚为溶剂，并通过酸碱调节剂调节pH，制备化学式为Pb(ZryTi1-y)O3的锆钛酸铅前驱体溶液，其中y为0.51-0.55；所述的锆钛酸铅前驱体溶液，其pH值为3.5-5.6，浓度为0.32-0.52mol/L；制备锆钛酸铅前驱体溶液时，控制乙酸铅、硝酸锆、钛酸四丁酯、乙酰丙酮和甲酰胺之间的摩尔比为(1.1-1.3)：y：(1-y)：(0.80-1.50)：(2.00-2.55)，其中，为补偿退火过程中铅元素的大量挥发，选取乙酸铅的占比范围为1.1-1.3；控制其余药品的配比在所述范围之内，保证生成稳定且无沉淀的锆钛酸铅前驱体溶液；控制乙酰丙酮与甲酰胺的摩尔比，有利于提高前驱体溶液的质量与稳定性能，防止生成沉淀，还能够避免薄膜沉积时出现裂纹。3)将步骤2)中制备得到的锆钛酸铅前驱体溶液沉积在Pt-Ti/Ti/SiO2/Si底电极上并进行热处理，重复沉积和热处理步骤多次至所需厚度，制备得到锆钛酸铅压电薄膜；其中热处理步骤包括：先在110-180℃下干燥处理5-10分钟去除水分；然后在300-500℃下热分解5-10分钟分解有机物；最后在550-700℃下退火处理8-15分钟使薄膜晶化为钙钛矿结构，热处理过程有利于保证锆钛酸铅压电薄膜的微观结构和介电性能。所述Pt-Ti/Ti/SiO2/Si底电极的制备包括如下步骤：a)控制磁控溅射仪本底真空度为(3.0-8.0)×10-5Pa，随后充入纯Ar气体并调节沉积气压为0.2-1.2Pa，打开Ti靶材对应溅射电源并调节功率为0-100W，在SiO2/Si衬底上沉积30-60nm的Ti金属层；b)在步骤a)所述沉积条件下，同时打开Ti和Pt靶材对应溅射电源，调节金属Ti和Pt靶材的溅射功率分别为0-100W和100-200W，在Ti金属层上沉积得到Pt-Ti/Ti/SiO2/Si底电极材料；控制Ti和Pt靶材的溅射功率在所述的范围内，有利于控制Pt和Ti的沉积速率与含量，有助于改善PZT薄膜的(100)择优取向度，进而提高薄膜的压电性能，使其应用于微执行器件时更加稳定。所述锆钛酸铅前驱体溶液的制备包括如下步骤：c)在乙酰丙酮溶液中加入钛酸四丁酯，得到混合液A；将混合液A升温至50-60℃，保温50-80min，然后向混合液A中依次加入硝酸锆、乙酸铅和乙二醇甲醚，搅匀并升温至70-100℃，保温50-80min，得到混合液B；d)在步骤c)中得到的混合液B中加入甲酰胺并搅匀，接着降温至50-60℃，保温50-80min，然后向混合液B中加入酸碱调节剂并保温50-80min，得到锆钛酸铅前驱体溶液。所述的酸碱调节剂为乙酸。采用上述方法制备出的底电极材料表面均匀致密，锆钛酸铅前驱体溶液更加稳定，这都将有利于沉积的锆钛酸铅压电薄膜(100)择优取向度的提高和电性能的改善。在本专利技术中，可以采用本领域常规方法将所述锆钛酸铅前驱体溶液沉积在底电极上，沉积方法例如可以包括：将所述锆钛酸铅前驱体溶液在500-700转/分钟下匀胶8-13秒，再在2600-3000转/分钟下甩膜30-40秒。上述方式能够使所述锆钛酸铅前驱体溶液均匀覆盖在所述底电极上。本专利技术制备的Pt-Ti/Ti/SiO2/Si底电极材料，可以通过在Si衬底上以热氧化等常规方法形成SiO2层，然后在SiO2层上通过磁控溅射工艺沉积纯Ti层和Pt-Ti合金层，制得上述底电极材料。特别是，所述底电极为经110-200℃烘干8-15分钟的Pt-Ti/Ti/SiO2/Si底电极。本专利技术的制备方法可以得到单层层厚为60-85nm的锆钛酸铅压电薄膜；进一步地，通过重复上述步骤3)，至得到具有目标厚度的多层锆钛酸铅压电薄膜，目标厚度例如可以为1μm。通过上述方法制备得到的锆钛酸铅压电薄膜，应用于微执行器件，效果更好。进一步地，本专利技术制备的(100)择优取向的锆钛酸铅压电薄膜表现为纯钙钛矿结构；(100)晶向取向度>85.7％。本专利技术的有益效果：1、本专利技术制备的锆钛酸铅压电薄膜时采用硝酸锆代替正丙醇锆，降低了生产成本，简化了操作过程。2、本专利技术的选用Pt-Ti/Ti/SiO2/Si底电极材料，大量Ti元素分散于Pt层表面，促使了钛酸铅优先成核，有效地改善了后沉积PZT薄膜的(100)择优取向度和电性能。3、本专利技术制得的锆钛酸铅压电薄膜(100)择优取向度可达85％以上，0.1kHz时的相对介电常数为1224，介电损耗为0.056，薄膜的介电性能优异。附图说明图1为本专利技术部分实施例制备的锆钛酸铅薄膜的XRD曲线。图2为实施例1制备的锆钛酸铅压电薄膜的介电频谱曲线。图3为实施例2制备的锆钛酸铅压电薄膜的介电频谱曲线。图4为实施例3制备的锆钛酸铅压电薄膜的介电频谱曲线。图5为本专利技术部分实施例制备的锆钛酸铅压电薄膜的电滞回线。具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高性能锆钛酸铅压电薄膜底电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)在SiO2/Si衬底上磁控溅射制备得到Pt‑Ti/Ti/SiO2/Si底电极；2)以乙酸铅、硝酸锆和钛酸四丁酯为原料，乙酰丙酮和甲酰胺为稳定剂，乙二醇甲醚为溶剂，并通过酸碱调节剂调节pH，制备化学式为Pb(ZryTi1‑y)O3的锆钛酸铅前驱体溶液，其中y为0.51‑0.55；所述的锆钛酸铅前驱体溶液，其pH值为3.5‑5.6，浓度为0.32‑0.52mol/L；制备锆钛酸铅前驱体溶液时，控制乙酸铅、硝酸锆、钛酸四丁酯、乙酰丙酮和甲酰胺之间的摩尔比为1.1‑1.3：y：1‑y：0.80‑1.50：2.00‑2.55；3)将步骤2)中制备得到的锆钛酸铅前驱体溶液沉积在Pt‑Ti/Ti/SiO2/Si底电极上并进行热处理，重复沉积和热处理步骤多次至所需厚度，制备得到锆钛酸铅压电薄膜；其中热处理步骤包括：先在110‑180℃下干燥处理5‑10分钟去水分；然后在300‑500℃下热分解5‑10分钟分解有机物；最后在550‑700℃下退火处理8‑15分钟使薄膜晶化为钙钛矿结构。

【技术特征摘要】
1.一种高性能锆钛酸铅压电薄膜底电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)在SiO2/Si衬底上磁控溅射制备得到Pt-Ti/Ti/SiO2/Si底电极；2)以乙酸铅、硝酸锆和钛酸四丁酯为原料，乙酰丙酮和甲酰胺为稳定剂，乙二醇甲醚为溶剂，并通过酸碱调节剂调节pH，制备化学式为Pb(ZryTi1-y)O3的锆钛酸铅前驱体溶液，其中y为0.51-0.55；所述的锆钛酸铅前驱体溶液，其pH值为3.5-5.6，浓度为0.32-0.52mol/L；制备锆钛酸铅前驱体溶液时，控制乙酸铅、硝酸锆、钛酸四丁酯、乙酰丙酮和甲酰胺之间的摩尔比为1.1-1.3：y：1-y：0.80-1.50：2.00-2.55；3)将步骤2)中制备得到的锆钛酸铅前驱体溶液沉积在Pt-Ti/Ti/SiO2/Si底电极上并进行热处理，重复沉积和热处理步骤多次至所需厚度，制备得到锆钛酸铅压电薄膜；其中热处理步骤包括：先在110-180℃下干燥处理5-10分钟去水分；然后在300-500℃下热分解5-10分钟分解有机物；最后在550-700℃下退火处理8-15分钟使薄膜晶化为钙钛矿结构。2.根据权利要求1所述的一种高性能锆钛酸铅压电薄膜底电极的制备方法，其特征在于，所述Pt-Ti/Ti/SiO2/Si底电极的制备包括如下步骤：a)控制磁控溅射仪本底真空度为(3.0-8.0)×10-5Pa，随后充入纯Ar气体并调节沉积气压为0.2-1.2Pa，打开Ti靶材对应溅射电源并调节功率为0-100W，在SiO2/Si衬底上沉积30-60nm的Ti金属层；b)在步骤a)所述沉积条件下，同时打开Ti和Pt靶材对应溅射电源，调节金属Ti和Pt靶材的溅射功率分别为0-100W和100-200W，在Ti金属层上沉积得到Pt-Ti/Ti/SiO2/Si底电极材料。3.根据权利要求1或2所述的一种高性能锆钛酸铅压电薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩梅，王兴，王富安，王力成，
申请(专利权)人：大连瑞林数字印刷技术有限公司，大连思普乐信息材料有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21