高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜，化学通式为：0.9212(Bi

【技术实现步骤摘要】
高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于电子功能材料和器件领域，具体涉及一种高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]未来的信息社会需要各种功能设备，如微型执行器和微型超声换能器等实现能量转换、驱动、传感等功能，而压电薄膜材料因具有优异的铁电、压电和电光等综合性能备受研究者关注。目前应用较为广泛的均为含铅压电薄膜，而制备和回收含铅量过高的压电薄膜都会给环境和人类带来严重损害，尽管商业电子产品中的铅禁令正在逐步实施，但铅基压电材料在一些高精尖技术和航空航天领域仍处于不可替代的地位。因此，在压电材料中实现更大的电应变，特别是在无铅材料中，是驱动无铅材料应用的关键要求。
[0003]在无铅压电材料中，钛酸铋钠(Bi
0.5
Na
0.5
)TiO3(BNT)基材料由于其大应变响应和高逆压电系数而引起了广泛的研究兴趣。例如通过引入第二相或者第三相形成二元或者三元体系，在其准同型相界处具有优异的电致应变(Adv.Mater.2016，28,574
–
578.)。并且，大多数微电子器件都集成在硅衬底上，为了将压电薄膜与其他功能材料结合并开发新的多功能器件，非常有必要将压电薄膜定向生长到Si衬底上。对于此策略，必须使用一些缓冲层，镍酸镧LaNiO3(LNO)是具有伪立方晶格参数(0.384nm)的非常有吸引力的缓冲层候选物，与大多数铁电钙钛矿材料匹配。基于理论计算，在具有LaNiO3缓冲层的镀铂硅晶片上的(001)织构的0.94(Bi
0.5
Na
0.5
)TiO3‑
0.06BaTiO3(BNTBT6)薄膜中，不仅提高了压电性能，而且提高了去极化温度Td。由此可知，(001)织构结构和底部LNO层引起的面内拉伸应变都可以稳定低对称铁电有序并提高BNTBT6薄膜的压电性和热稳定性(Adv.Electron.Mater.,2018,4,1800351.)。但是随着薄膜厚度的增加，底部LNO层的拉伸作用将会减弱，薄膜的压电性能也会减弱。然而现有技术中对于在何种厚度尺度下压电薄膜能够展现优异的电致伸缩特性并未有相关报道。另外，虽然钛酸铋钠
‑
钛酸钡组分压电薄膜具有较强的铁电性，但是其较大的漏电流和较低的居里温度极大的限制了其在器件方面的应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜及其制备方法。
[0005]本专利技术提供了一种高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜，具有这样的特征：钛酸铋钠基无铅压电薄膜的化学通式为：0.9212(Bi
0.5
Na
0.5
)TiO3‑
0.0588BaTiO3‑
0.02La
0.7
Sr
0.3
MnO3。
[0006]在本专利技术提供的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜中，还可以具有这样的特征：其中，钛酸铋钠基无铅压电薄膜的厚度范围为50nm～500nm。
[0007]本专利技术还提供了一种高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜的制备方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤S1，按照钛酸铋钠基无铅压电薄膜的化学通式的化学计量比
称取硝酸铋、乙酸钠、乙酸钡、乙酸镧、乙酸锶溶于乙酸，制得第一溶液；
[0008]步骤S2，按照钛酸铋钠基无铅压电薄膜的化学通式的化学计量比称取乙酰丙酮、钛酸四丁酯、四水合乙酸锰溶于乙二醇甲醚，制得第二溶液；
[0009]步骤S3，将第一溶液和第二溶液混合得到混合溶液，调整混合溶液的浓度和酸碱度，制得前驱体溶液；
[0010]步骤S4，清洗基片，并将基片吹干；
[0011]步骤S5，将前驱体溶液涂覆在基片上，制备得到高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜。
[0012]在本专利技术提供的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜的制备方法中，还可以具有这样的特征：步骤S1中，硝酸铋、乙酸钠、乙酸钡、乙酸镧、乙酸锶溶于乙酸后，搅拌并加热至沸腾，保持20分钟～30分钟，制得第一溶液。
[0013]在本专利技术提供的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜的制备方法中，还可以具有这样的特征：步骤S2中，乙酰丙酮、钛酸四丁酯、四水合乙酸锰溶于乙二醇甲醚后，搅拌并加热至40℃～60℃，保持搅拌20分钟～30分钟，制得第二溶液。
[0014]在本专利技术提供的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜的制备方法中，还可以具有这样的特征：步骤S3中，混合溶液的浓度使用乙酸调整，混合溶液的酸碱度使用氨水调整，调整完成后将混合溶液在40℃～60℃下搅拌200分钟～400分钟制得前驱体溶液。
[0015]在本专利技术提供的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜的制备方法中，还可以具有这样的特征：步骤S3中，混合溶液的浓度调整至0.1摩尔/升～0.4摩尔/升，混合溶液的酸碱度调整至pH值为4～6。
[0016]在本专利技术提供的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜的制备方法中，还可以具有这样的特征：基片为LaNiO3/Pt/Ti/SiO2/Si基片。
[0017]在本专利技术提供的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜的制备方法中，还可以具有这样的特征：步骤S4中，依次使用丙酮、去离子水和乙醇分别超声清洗基片20分钟，然后使用高纯氮气将基片吹干。
[0018]在本专利技术提供的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜的制备方法中，还可以具有这样的特征：步骤S5还包括以下子步骤：
[0019]步骤S5
‑
1，在基片上旋转涂覆一层前驱体溶液，转速为4000转/秒，时间为30秒，得到薄膜；
[0020]步骤S5
‑
2，将薄膜置于管式炉中，依次在200℃处理5分钟，450℃处理5分钟，700℃处理5分钟；
[0021]步骤S5
‑
3，重复步骤S5
‑
1和步骤S5
‑
2直至获得所需厚度的薄膜，最终在600℃～750℃退火处理30分钟～60分钟，制得高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜。
[0022]专利技术的作用与效果
[0023]根据本专利技术所涉及高电致应变的的钛酸铋钠基无铅压电薄膜，通过在钛酸铋钠
‑
钛酸钡薄膜中掺入锶锰酸镧，使得钛酸铋钠
‑
钛酸钡薄膜漏电流减小，畴钉扎减弱，进而提高了薄膜的极化强度，增强了电致应变特性。并且本专利技术的制备方法不仅工艺简单，还能够通过重复进行旋涂以及热处理来控制制备得到的钛酸铋钠基无铅压电薄膜的厚度，实现镍酸镧衬底对薄膜结构的控制，能够进一步提高钛酸铋钠基无铅压电薄膜的电致应变性能。
附图说明
[0024]图1是本专利技术的实施例中高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜的制备方法的流程图；
[0025]图2是本专利技术的实施例1中制备得到的钛酸铋钠基无铅压电薄膜的断面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜，其特征在于，所述钛酸铋钠基无铅压电薄膜的化学通式为：0.9212(Bi
0.5
Na
0.5
)TiO3‑
0.0588BaTiO3‑
0.02La
0.7
Sr
0.3
MnO3。2.根据权利要求1所述的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜，其特征在于：其中，所述钛酸铋钠基无铅压电薄膜的厚度范围为50nm～500nm。3.一种如权利要求1～2中任一项所述的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，按照所述钛酸铋钠基无铅压电薄膜的化学通式的化学计量比称取硝酸铋、乙酸钠、乙酸钡、乙酸镧、乙酸锶溶于乙酸，制得第一溶液；步骤S2，按照所述钛酸铋钠基无铅压电薄膜的化学通式的化学计量比称取乙酰丙酮、钛酸四丁酯、四水合乙酸锰溶于乙二醇甲醚，制得第二溶液；步骤S3，将所述第一溶液和所述第二溶液混合得到混合溶液，调整所述混合溶液的浓度和酸碱度，制得前驱体溶液；步骤S4，清洗基片，并将所述基片吹干；步骤S5，将所述前驱体溶液涂覆在所述基片上，制备得到高电致应变的所述钛酸铋钠基无铅压电薄膜。4.根据权利要求3所述的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜的制备方法，其特征在于：其中，步骤S1中，所述硝酸铋、所述乙酸钠、所述乙酸钡、所述乙酸镧、所述乙酸锶溶于所述乙酸后，搅拌并加热至沸腾，保持20分钟～30分钟，制得所述第一溶液。5.根据权利要求3所述的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电薄膜的制备方法，其特征在于：其中，步骤S2中，所述乙酰丙酮、所述钛酸四丁酯、所述四水合乙酸锰溶于所述乙二醇甲醚后，搅拌并加热至4...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈波，朱坤，翟继卫，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：