一种纳米级厚度极化铁电薄膜及其正压电系数d制造技术

本发明专利技术涉及一种纳米级厚度极化铁电薄膜及其正压电系数d

【技术实现步骤摘要】
一种纳米级厚度极化铁电薄膜及其正压电系数d
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的测试方法


[0001]本专利技术涉及铁电薄膜压电测试
，具体涉及一种纳米级厚度的极化铁电薄膜及其正压电系数d
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的测试方法。

技术介绍

[0002]铁电薄膜现在被广泛应用于许多商业产品中，这些应用和正在开发的应用包括存储器、微波电子元件和带有热释电和压电传感器、制动器等微电子器件。为了适应这些应用器件向小型化的发展趋势，厚度更薄及质量更加优异的铁电薄膜需要被制备出来，并且用于评估超薄铁电薄膜性质(铁电性、压电性等)的检测手段也需要得到及时的发展。
[0003]压电系数d
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是压电材料重要的特性参数之一，它是压电介质把机械能(或电能)转换为电能(或机械能)的比例常数，反映了应力或应变和电场或电位移之间的联系，直接反映了材料机电的耦合关系和压电效应的强弱。传统的准静态d
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测试仪的测试原理是仪器发出电驱动信号，使测试头内的电磁驱动部分产生一个固定大小固定频率的交变力，通过上下探头加到被测试样和内部的比较样品上，由于两者在力学上串联，因而所受到的交变力相等。由正压电效应产生出的两个压电电信号再由仪器处理后，即显示其压电系数d
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值和极性，这种测试方式的对象通常是铁电陶瓷等毫米级厚度的压电材料。对于纳米级的超薄铁电薄膜材料，传统的正压电系数d
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测试方式要求薄膜具有较大面积的上电极和下电极，然而对于纳米级的超薄膜而言，大面积的生长上电极，受生长技术等因素影响，上电极很容易穿透薄膜，造成上电极和底电极导通，这种情况下就无法对薄膜样品进行相关的性能测试。为了减小电极所带来的影响，人们通常的想法是减小上电极的面积，采用点电极的方式来进行相关测试，最为常见的就是运用原子力探针来对点电极施加电压测试薄膜的应变，并通过线性拟合得到薄膜的逆压电系数d
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，单位为pm/V。这种测试方法只能在某个微区的点电极表面来表征薄膜的压电性能，并且在测试时探针和薄膜样品之间会产生共振，造成测量误差。因此，为了准确测试较大面积铁电薄膜整体的正压电系数d
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(单位：pC/N)，有必要开发一种新型的针对纳米级厚度(2
‑
500nm)铁电薄膜正压电系数d
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的测试方法。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术提供了一种纳米级厚度极化铁电薄膜及其正压电系数d
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的测试方法。
[0005]一方面，本专利技术提供了一种纳米级厚度极化铁电薄膜，由以下步骤制备：
[0006](1)将待极化的铁电薄膜沉积在下基底/下电极结构的下电极表面，形成下基底/下电极/铁电薄膜结构，其中，待极化的铁电薄膜具有纳米级平整的表面；
[0007](2)将上基底/上电极结构的上电极表面与步骤(1)的下基底/下电极/铁电薄膜结构的铁电薄膜表面充分接触，形成下基底/下电极/铁电薄膜/上电极/上基底结构；
[0008](3)在步骤(2)的下基底/下电极/铁电薄膜/上电极/上基底结构的侧面，用第一导线连接下电极，用第二导线连接上电极；
[0009](4)第一导线、第二导线分别连接电压源的正极和负极，施加一定电压，在下电极和上电极之间形成稳定的电场，从而极化铁电薄膜，得到纳米级厚度极化铁电薄膜。
[0010]较佳的，待极化的铁电薄膜具有2
±
0.5nm的表面粗糙度。
[0011]较佳的，上电极具有2
±
0.5nm的表面粗糙度。
[0012]较佳的，待极化的铁电薄膜的厚度为2～500nm，面积为1mm2～100mm2。
[0013]较佳的，待极化的铁电薄膜为铪锆氧薄膜或锆钛酸铅薄膜。
[0014]较佳的，上基底和下基底为硬质材料，分别采用玻璃和钛酸锶基片。
[0015]较佳的，上电极为锡
‑
铟氧化物或金，其方阻为10～20Ω/
□
，下电极为钌酸锶或镧锶锰氧，其方阻为200～1000Ω/
□
。
[0016]较佳的，施加2～20V电压，在下电极和上电极之间形成稳定的电场。
[0017]较佳的，下基底/下电极结构通过在下基底上采用激光脉冲沉积下电极得到。
[0018]另一方面，本专利技术还提供了一种纳米级厚度极化铁电薄膜的正压电系数d
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的测试方法，包括以下步骤：
[0019](1)将待极化的铁电薄膜沉积在下基底/下电极结构的下电极表面，形成下基底/下电极/铁电薄膜结构，其中，待极化的铁电薄膜具有纳米级平整的表面；
[0020](2)将上基底/上电极结构的上电极表面与步骤(1)的下基底/下电极/铁电薄膜结构的铁电薄膜表面完全接触，形成下基底/下电极/铁电薄膜/上电极/上基底结构，其中，上电极具有纳米级平整的表面；
[0021](3)在步骤(2)的下基底/下电极/铁电薄膜/上电极/上基底结构的侧面，用第一导线连接下电极，用第二导线连接上电极；
[0022](4)第一导线、第二导线分别连接电压源的正极和负极，施加一定电压，在下电极和上电极之间形成稳定的电场，从而极化铁电薄膜，得到纳米级厚度极化铁电薄膜；
[0023](5)将步骤(4)的下基底/下电极/铁电薄膜/上电极/上基底结构和压力传感器固定在支架上，通过支架给下基底和上基底施加频率和大小可调的交变应力，让交变应力传递到极化后的铁电薄膜上；
[0024](6)通过支架内的压力传感器测量极化后的铁电薄膜中所受到的实时交变应力；
[0025](7)通过电流表测量第一导线和第二导线之间的压电感生电流，并通过积分计算获得一个交变压力周期内铁电薄膜产生的感生电荷，并运用公式：d
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＝Q(t)/F(t),通过感生电荷(Q)和与之对应的交变应力(F)的理论计算得到正压电系数d
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(单位pC/N)。
[0026]与现有技术相比，本专利技术的显著优点如下：
[0027](1)本专利技术对于纳米级厚度的铁电薄膜所采用的极化方式有别于传统的铁电薄膜的极化方式。在传统的极化方式中，极化前的铁电薄膜需要上电极和底电极，但在薄膜上大面积的电极制备，会对薄膜造成破坏，导致上下电极导通，薄膜功能失效。而在本专利技术中，直接采用上电极压盖到薄膜上的方式，然后引线加电压对薄膜成功进行极化，这样就避免了直接在薄膜上蒸镀电极对薄膜的破坏。
[0028](2)本专利技术中的纳米级厚度铁电薄膜的正压电系数d
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测试方法，结构简单，操作容易，测试精度高。
[0029](3)本专利技术降低了极化和测试时对不同铁电薄膜的上电极的要求，降低成本，节省时间，提高测试的效率。
附图说明
[0030]图1为本专利技术的纳米级厚度铁电薄膜的极化方式的示意图。
[0031]图2为本专利技术的纳米级厚度铁电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米级厚度极化铁电薄膜，其特征在于，由以下步骤制备：（1）将待极化的铁电薄膜沉积在下基底/下电极结构的下电极表面，形成下基底/下电极/铁电薄膜结构，其中，待极化的铁电薄膜具有纳米级平整的表面；（2）将上基底/上电极结构的上电极表面与步骤（1）的下基底/下电极/铁电薄膜结构的铁电薄膜表面充分接触，形成下基底/下电极/铁电薄膜/上电极/上基底结构；（3）在步骤（2）的下基底/下电极/铁电薄膜/上电极/上基底结构的侧面，用第一导线连接下电极，用第二导线连接上电极；（4）第一导线、第二导线分别连接电压源的正极和负极，施加一定电压，在下电极和上电极之间形成稳定的电场，从而极化铁电薄膜，得到纳米级厚度极化铁电薄膜。2. 如权利要求1所述的铁电薄膜，其特征在于，待极化的铁电薄膜具有纳米级平整的表面是指铁电薄膜具有2
±
0.5 nm的表面粗糙度。3. 如权利要求1所述的铁电薄膜，其特征在于，上电极具有2
±
0.5 nm的表面粗糙度。4. 如权利要求1所述的铁电薄膜，其特征在于，待极化的铁电薄膜的厚度为2~500 nm，面积为1 mm2~100 mm2。5.如权利要求1所述的铁电薄膜，其特征在于，待极化的铁电薄膜为铪锆氧薄膜或锆钛酸铅薄膜。6.如权利要求1所述的铁电薄膜，其特征在于，上基底和下基底为硬质材料，分别采用玻璃和钛酸锶基片。7. 如权利要求1所述的铁电薄膜，其特征在于，上电极为锡
‑
铟氧化物或金，其方阻为10~20 Ω/
□
，下电极为钌酸锶或镧锶锰氧，其方阻为200~1000 Ω...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁业成，刘楠楠，袁国亮，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：