一种高温稳定性电极及其制备方法技术

本发明专利技术属于声表面波传感器的设计领域，具体为一种高温稳定性电极及其制备方法。该高温稳定性电极从下至上依次包括：氧化铝阻挡层、氧化锌缓冲层、Pt电极、ITO保护层和氧化铝保护层；ITO保护层设置于Pt电极上，与Pt电极一起被氧化铝保护层包覆。本发明专利技术利用了ITO能在高温下能抑制Pt电极的结块现象的发生；同时，ITO在高温下具有较好的导电性，当Pt在高温下结块时，不连续的空洞会被ITO填充，有效的降低了电极的电阻率，提高了电极在高温状态下的稳定性。

A High Temperature Stability Electrode and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种高温稳定性电极及其制备方法
本专利技术属于声表面波传感器的设计领域，具体为一种高温稳定性电极及其制备方法，提供了一种ITO/Pt复合薄膜电极，改进声表面波器件电极导电特性，使其在高温下的稳定性得到改善。
技术介绍
声表面波(SurfaceAcousticWave，SAW)是一种沿着物体表面传播的弹性波，SAW器件是利用SAW在压电衬底上的传播来处理信号的各类器件。SAW器件由压电材料基片与其表面的叉指换能器(Interdigital，IDT)组成。压电材料是声表面波器件中的重要组成部分，它起着将电信号与声表面波相互转换的作用，并同时也作为声表面波传播的媒介。其主要的性能参数包括声表面波传播速度、机电耦合系数、传播损耗、温度系数等，而常用的压电材料基片包括压电陶瓷、压电多晶与压电单晶材料。IDT是所有声表面波器件的关键部分，包含输入端换能器与输出端换能器两种，电信号被接收端的叉指换能器接收后，经过逆压电效应，在压电材料基片上产生出声表面波并向输出端传播。随后输出端的叉指换能器能够通过压电效应将声表面波信号转变成电信号并加以输出。SAW器件往往会在高温环境中出现性能衰退乃至完全失效的情况，对于压电材料而言，最核心的性质就是它的压电性能，压电性能存在的情况下基片才能够正常工作。目前采用硅酸镓镧(LGS)作为高温声表面波传感器的基片，它能够在室温至熔点1470℃温度区间内保持压电性能而不发生相变，因此，LGS的出现解决了声表面波器件在高温下工作所需压电基片的问题。至此以后，叉指换能器就成了决定声表面波器件在高温下工作性能的核心因素。研究人员门发现，较高的叉指换能器电阻会对SAW器件的性能有一定的影响，比如引起热能损耗、非均匀电压、频散以及产生激励信号的不均匀分布等现象。因此，想要在高温下获得稳定的器件性能，保持叉指换能器电极在高温下的电阻稳定性就具有十分重要的意义。一般人们都选择金属制备叉指换能器，在目前的高温声表面波器件的研究领域，Pt因其极高的熔点(1773℃)以及高温下较好的电导率而成为了高温声表面波器件领域电极材料的不二之选。但是，Pt电极长时间工作在800℃以上高温环境中仍然会发生团聚、结块等现象。目前的解决方案主要有采用多层复合电极以及在电极表面覆盖保护层等，保护层的使用能够在一定程度下抑制金属电极在高温下结块的现象，使电极表面更加平整，对于声表面波高温电极领域，在电极顶端沉积一层保护层往往使得制备的电极能够在高温下具有更好的导电稳定性。传统的电极采用势垒层-缓冲层-电极-保护层的模式，势垒层常用Al2O3等，高温下衬底中的原子会向电极层扩散，使得衬底的压电性能受到影响，势垒层的作用是阻止高温下衬底中原子的扩散。缓冲层的存在能够使得生长在其上的电极有更大的晶粒尺寸，提高电极的高温稳定性。电极使用高熔点的Pt。常见的保护层多使用AlN、Al2O3等材料，这两种材料性质稳定、结构致密且热膨胀系数小，具有较高的杨氏模量。由于AlN本身也是一种压电材料，覆盖在电极表面在电场的驱动下能够与衬底一同振动，提高声表面波器件的性能。保护层能够在一定范围内抑制金属电极的结块，但是高温下Pt的结块导致形成的Pt不连续空洞会被保护层所填满，由于AlN、Al2O3是不导电的绝缘体，不能提供导电通道，这种情况下，整个电极中导电路径发生变化，电流流经的有效距离与经过的有效横截面积发生了变化，导致宏观电阻增加。
技术实现思路
针对上述存在问题或不足，为解决现有电极高温下稳定性不佳的问题，本专利技术提供了一种高温稳定性电极及其制备方法。该高温稳定性电极从下至上依次包括：氧化铝阻挡层，氧化锌缓冲层，Pt电极，ITO保护层，氧化铝保护层。所述ITO保护层设置于Pt电极上，与Pt电极一起被氧化铝保护层包覆。其制备方法如下：步骤1：在LGS衬底上生长厚度≤30nm的Al2O3薄膜作为阻挡层，该Al2O3薄膜以阻止原子的扩散，保持压电衬底在高温下的压电性能，并且能够提高缓冲层的结晶质量。步骤2：在Al2O3与Pt之间制备缓冲层ZnO，缓冲层厚度为≤10nm；在缓冲层厚度大于10nm之后，其对Pt电极的生长不再有显著影响，过厚的薄膜会对衬底的压电性能有一定的影响。步骤3：在缓冲层ZnO上制备Pt电极，电极厚度100-200nm。步骤4：在Pt电极表面生长ITO保护层，厚度≤200nm。步骤5：最后再制备一层Al2O3，将Pt电极和ITO保护层均包覆在Al2O3与氧化锌缓冲层之间，厚度≤1μm。作用是防止空气中的氧气进入ITO导致导电性能下降。ITO的导电性有很大一部分来源于其中的氧空位的贡献，氧缺陷的存在对ITO的导电性是有利的，然而高温下空气中的氧气会使薄膜中的氧空位得到填补，这会在一定程度上降低ITO的电导率。高温下LGS中原子易扩散至材料表面，导致材料压电性能下降，氧化铝阻挡层能有效阻止LGS中原子的扩散，在高温下维持其压电稳定性；Pt电极在衬底表面生长时存在晶格失配，这导致电极在高温下更容易发生结块和团聚，氧化锌缓冲层能有效缓解晶格失配，在一定程度上抑制Pt电极结块；Pt为电极材料，其熔点高，电导率高，由于Pt密度较大，过厚的电极会影响衬底的压电性能；ITO保护层的存在能抑制Pt电极团聚和结块，作为一种半导体材料，在Pt发生结块时能够填充孔洞，形成新的导电通道降低电极电阻，提高Pt电极的高温稳定性；最上面的氧化铝保护层不仅可以在一定程度上抑制Pt电极的结块，同时能够在高温下阻止空气中的氧进入ITO，由于ITO的导电能力有一部分来源于氧空位，在高温下当空气中的氧进入ITO填充氧空位，会降低其导电性能，且能够抑制这一过程的发生，进一步提高高温下电极的稳定性。本专利技术采用了氧化铟锡(ITO)这种导电的半导体材料作为叉指换能器电极的保护层，ITO目前主要用于制作各种显示器、太阳能电池，同时在光催化等领域也有一定的应用；利用了ITO是一种可以耐受高温的高电导率的氧化物半导体，同其他保护层类似，ITO能在高温下能抑制Pt电极的结块现象的发生。同时，ITO在高温下具有较好的导电性，当Pt在高温下结块时，不连续的空洞会被ITO填充，有效的降低了电极的电阻率，提高了电极在高温状态下的稳定性。附图说明图1为Pt和ITO/Pt薄膜电极的电阻在1000℃下随保温时间的变化。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。实施例采用的衬底为LGS压电材料基片，使用的靶材纯度均为99.99％，在基片放入腔体之前，对衬底进行清洗，以获得洁净的基片表面。首先将基片依次放在丙酮及无水乙醇溶液各超声清洗5分钟，取出表面的有机污染物，最后再利用去离子水冲洗。将冲洗后的衬底用N2气枪吹干。将清洗吹干后的衬底迅速转移到脉冲激光沉积(PLD)腔体中，在沉积过程中，腔体内气压保持在5×10-4Pa，靶基距被固定为4cm，脉冲激光频率固定在3Hz。因为Pt靶材非常坚固，沉积Pt薄膜使用的激光能量强度远高于沉积氧化物时的能量，沉积Pt与沉积氧化物薄膜的激光能量分别选为4J/cm2与2.5J/cm2，沉积温度保持500℃，ITO薄膜需要在20Pa的氧气气氛中制备。最终制备出以LGS为衬底，第一层氧化铝厚度为10nm；缓冲层5nm厚；Pt为电极厚100nm，ITO保护层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温稳定性电极及，从下至上依次包括：氧化铝阻挡层、氧化锌缓冲层、Pt电极和氧化铝保护层，其特征在于：还包括一层ITO保护层；所述ITO保护层设置于Pt电极上，与Pt电极一起被氧化铝保护层包覆。

【技术特征摘要】
1.一种高温稳定性电极及，从下至上依次包括：氧化铝阻挡层、氧化锌缓冲层、Pt电极和氧化铝保护层，其特征在于：还包括一层ITO保护层；所述ITO保护层设置于Pt电极上，与Pt电极一起被氧化铝保护层包覆。2.如权利要求1所述高温稳定性电极，其制备方法如下：步骤1：在LGS衬底上生长厚度≤30nm的Al2O3薄膜作为阻挡层，该Al2O3薄膜以阻止原子的扩散，保持压...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭斌，王博文，刘兴鹏，张万里，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51