一种热释电薄膜材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种热释电薄膜材料，由下至上依次包括基片、ＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２薄膜和金属薄膜；所述基片使用导电材料制作，形成下电极；所述金属薄膜形成上电极。与现有技术相比，本发明专利技术的热释电薄膜材料制备工艺简单，制备成本较低，并且具有较高的热释电系数。本发明专利技术对制备的材料采用人工极化的方法，使原本不明显的热释电效应变得显著，并物理性质稳定，其电偶极矩的极化特性能够长时间保持。本发明专利技术相对其他热释电体材料，本发明专利技术热释电薄膜材料灵敏元薄，体积比热小，灵敏度高；响应速度快，达微秒级；易与半导体器件集成，提高传感器集成度；能制成焦平面热成像器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉 及热电材料领域，具体地说，本专利技术涉及一种具有高热释电系数的热释 电薄膜材料及其制备方法。
技术介绍
热释电材料原理是入射光被样品吸收后会产生温度变化，导致材料中电偶极矩 体密度(极化强度)发生改变，引起材料表面净电荷的变化，从而在探测器两端产生一个正 比于温度变化的电压差。目前，热释电材料已广泛用于军事、航空、航天等尖端
和非接触遥测温 度、入侵防盗报警、家电自动控制等。特别是焦平面热释电红外探测器还可以用于观瞄具、 夜视仪、全天候监视器和医疗诊断仪等热成像系统。优良的热释电材料在性能上有以下几点要求1、高居里温度使之具有宽的工作温度范围；2、低热扩散系数有利于图像的贮存以提高器件的温度分辨率，也有利于红外成 像器件的制作；3、低的比热有助于获得大的响应率及探测率；4、高优值因子包括电流响应优值、电压响应优值、探测率优值。目前，典型的热释电材料有TGS、LiTa03、PVDF和PZT等等，热电系数一般为ICT8C/ cm2 · K量级，居里温度在几十到几百摄氏度不等。目前报道的热释电材料大多数属于体材料。而薄膜型热释电材料不仅具有体积比 热小，灵敏度高，反应快，能与微电子器件相集成等优点，而且能够抗氧化、耐高温、耐潮湿、 耐辐射，因而薄膜型热释电材料是制作高性能热释电红外探测器比较理想的材料。但是， 由于薄膜的界面效应和表面效应使得一般的热释电材料的热释电系数大大降低，不利于优 值因子的提高。比如说常用的BST热释电薄膜，在其工作温度-30°c下，热释电系数仅为 1. 7X10-9C/cm2 · K。因此研发一种热释电系数高、性能优越的热释电薄膜材料具有巨大的 实用价值与意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新的热释电薄膜材料及其制备方法，既方便大面积制 备又易于集成，并且具有较高的热释电系数。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供的热释电薄膜材料，由下至上依次包括基片、 CaCu3Ti4O12 (下文缩写为CCT0)薄膜和金属薄膜；所述基片使用导电材料制作，形成下电极； 所述金属薄膜形成上电极。上述技术方案中，所述CaCu3Ti4O12薄膜厚500nm lOOOnm。上述技术方案中，所述基片为Nb SrTiO3基片、SrRuO3基片或SrVO3基片。上述技术方案中，所述金属薄膜为金(Au)膜，厚50nm 60nm，面积为0. 75mm2 13mm2。当所述金膜的平面形状为圆形时，半径优选0. 5mm 2mm。上述技术方案中，所述上电极和下电极通过银胶粘接导线将电极引出。上述技术方案中，所述上电极和下电极通过铟焊接导线将电极引出。上述技术方案中，所述导线为金丝。本专利技术还提供了所述热释电薄 膜材料的制备方法，包括如下步骤1)在导电基片上依次制备CaCu3Ti4O12薄膜和金属薄膜；2)将金属薄膜和导电基片作为上下电极引出；3)在上下电极间施加电压，使电场强度为10000 20000V/cm，在室温下极化 24 72小时，再撤去电压得到所述热释电薄膜材料。上述技术方案中，所述步骤1)中，所述CaCu3Ti4O12薄膜利用CaCu3Ti4O12靶材制备， 所述CaCu3Ti4O12靶材的制作步骤如下11)将CaC03、Cu0和TiO2按物质的量1:3:4混合并研磨均勻，在800°C下预烧 10个小时；12)预烧后的混合物再次研磨，压成靶状，在1000°C下预烧10个小时；13)将步骤12)得到的靶捣碎并研磨均勻，再压制成靶，在1300°C下焙烧12小时， 得到最终的CaCu3Ti4O12靶材。上述技术方案中，所述导电基片为Nb = SrTiO3基片，所述金属薄膜为金膜，所述步 骤1)还包括如下步骤14)将基片放入真空腔内，加热至700 850°C，使腔内达到真空条件，然后通5 40Pa氧压，用PLD(pluse laser d印osit，脉冲激光沉积)方法在Nb SrTiO3基片上镀一层 CaCu3Ti4O12 薄膜；15)将镀有CaCu3Ti4O12薄膜的NbSrTiO3基片放入真空腔内，在所述CaCu3Ti4O12薄 膜上面覆盖一层掩膜板，加热至400 600°C，使腔内达到真空条件，再用PLD方法在所述 CaCu3Ti4O12薄膜未被所述掩膜板覆盖的区域上面镀一层金膜。上述技术方案中，所述步骤14)和15)中，所述真空条件是压强在5X 10_3Pa以下。与现有技术相比，本专利技术具有以下技术效果1.本专利技术的热释电薄膜材料制备工艺简单，制备成本较低，并且具有较高的热释 电系数；2.对制备的材料采用人工极化的方法，使原本不明显的热释电效应变得显著，并 物理性质稳定，其电偶极矩的极化特性能够长时间保持；3.相对其他热释电体材料，本专利技术热释电薄膜材料(1)灵敏元薄，体积比热小， 灵敏度高；(2)响应速度快，达微秒级；(3)易与半导体器件集成，提高传感器集成度；(4) 能制成焦平面热成像器件。4.本专利技术的热释电材料能被广泛用于军事、航空、航天等尖端
和非接触 遥测温度、入侵防盗报警、家电自动控制等。特别是焦平面热释电红外探测器还可以用于观 瞄具、夜视仪、全天候监视器和医疗诊断仪等热成像系统。附图说明以下，结合附图来详细说明本专利技术的实施例，其中图1是本专利技术一个实施例的样品结构示意图；图2是动态法测量本专利技术一个实施例的热释电系数实验装置结构图；图3是本专利技术一个实施例的样品热释电电流随温度的变化曲线示意图。图面说明 1 :Nb = SrTiO3 基片，2 :CCT0 薄膜，3 金膜，4 银胶。具体实施例方式实施例1 如图1所示，本实施例的热释电薄膜材料，由下至上依次包括Nb = SrTiO3基片1、 CCTO薄膜2和金膜3 ；所述Nb = SrTiO3基片形成下电极；所述金膜形成上电极。所述CCTO 薄膜厚度为500nm lOOOnm，本实施例中取500nm。所述金膜厚50nm 60nm，本实施例中 取50nm。金膜可制备成圆形、方形等各种形状，只需控制面积在0. 75mm2 13mm2即可，当 所述金膜的平面形状为圆形时，所述金膜的半径优选0.5mm 2mm。这样既便于电极引出， 又可以避免因金膜面积过大，所覆盖的CCTO膜缺陷过多而导致的两电极导通。所述上电极 和下电极均通过银胶4粘接导线将电极引出。本实施例的热释电薄膜材料通过下述方法制备(1)制备CCTO靶。将CaC03、Cu0和TiO2按物质的量1 3 4混合并研磨均勻， 在800°C下预烧10个小时；预烧后再次研磨，压成靶状，在1000°C下预烧10个小时；最后将 预烧的靶捣碎并研磨均勻，再压制成靶，在1300°c下焙烧12小时；本步骤中，预烧两遍的目 的是为了让CaC03、Cu0和TiO2充分混合均勻，并反应生成CCT0，同时也可除去水分、有机物 等杂质。预烧温度过高、时间过长会使下一步的捣碎、研磨困难，因此本步骤采用了较低的 预烧温度和较短的时间。(2)将Nb = SrTiO3基片放入真空腔内，加热至700 850°C (本实施例优选780°C )， 腔内抽至真空(一般5X 10_3Pa以下即可，本实施例取3X I(T3Pa)，然后通5 40Pa氧压 (本实施例取5Pa)，用PLD方法在Nb SrTiO3基片上镀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热释电薄膜材料，其特征在于，由下至上依次包括基片、ＣａＣｕ↓［３］Ｔｉ↓［４］Ｏ↓［１２］薄膜和金属薄膜；所述基片使用导电材料制作，形成下电极；所述金属薄膜形成上电极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈聪，周岳亮，宁廷银，陆珩，王灿，张东香，王沛，明海，杨国桢，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]