專利名稱：一種自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法
技術領域：
本發明涉及壓電/鐵電薄膜材料技術領域，尤其涉及一種自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法。
背景技術：
近年來，從環境振動源中進行能量收集越來越受到科研工作者的重視，該技術尤其適用于無線技術和低功率電子器件領域。該技術的一種實現方式是采用壓電材料將機械振動能轉化為電能。通常情況下，壓電材料沉積在襯底上并被其所束縛。但是，由于襯底只起支撐作用而并不能轉化電能，因此器件的能量轉化效率比較低且難與其他微電子器件集成。為了解決上述問題，人們提出了自支撐結構薄膜來滿足要求。當同樣的刺激施加到自支撐薄膜材料上時，由于不存在襯底束縛力，薄膜會發生較大的形變。因此，與制備在襯底上的傳統薄膜相比，自支撐薄膜對外界刺激的感應更加靈敏，例如，對于某些性能測試而言，當輸入相同的信號時，自支撐薄膜比傳統薄膜有更大的輸出信號。Kok等人在2009年用碳犧牲層法制備了 60微米的自支撐壓電厚膜。但是，由于絲網印刷成膜技術的局限，碳犧牲層法難于制備微米級別以下的自支撐薄膜。Massaro等在 2011年提出了用鉬做犧牲層制備400納米的氮化鋁納米帶用于能量收集，使能量轉化效率得到提高。但是，金屬鉬做為犧牲層，難于制備需要高溫沉積的薄膜材料。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對目前壓電/鐵電薄膜制備技術中由于采用襯底一方面對薄膜存在束縛力而導致轉化效率低，另一方面引起器件不易集成等問題，提出一種制備自支撐壓電/鐵電薄膜的新方法。本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是一種自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法，如圖1所示，首先采用現有技術制備保留阻擋層的陽極氧化鋁薄膜(ΑΑ0，即英文 Anodic Aluminum Oxide Template的縮寫)；然后在該陽極氧化鋁薄膜的阻擋層表面沉積底電極，接著在底電極表面依次沉積壓電/鐵電薄膜與頂電極，得到如圖2所示結構的整體薄膜；最后用堿溶液腐蝕溶解保留阻擋層的陽極氧化鋁薄膜，得到如圖3所示結構的薄膜， 即得到自支撐壓電/鐵電薄膜。所述的堿溶液包括但不限于氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銣(RbOH)、 氫氧化銫(CsOH)、氫氧化鈣(Ca(OH)2)、氫氧化鍶(Sr (OH) 2)、氫氧化鋇(Ba(OH)2)的水溶液等中的一種。所述的底電極包括但不限于鉬(Pt)、金(Au)、鈀(Pd)中的一種。所述的沉積壓電/鐵電薄膜的方法包括但不限于脈沖激光沉積(PLD)、濺射法 (Sputter)、分子束外延(MBE)、化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、電子束蒸發法等方法。
與現有的自支撐壓電/鐵電薄膜相比，本發明具有如下優點(1)薄膜平整度高采用陽極氧化鋁薄膜作為基底，該陽極氧化鋁薄膜基底薄而多孔，機械強度低，并且該陽極氧化鋁薄膜是帶有阻擋層的陽極氧化鋁薄膜，在該陽極氧化鋁薄膜的阻擋層表面依次沉積Pt、Au、Pd等底電極與壓電/鐵電薄膜，能夠提高底電極的平整度，從而提高壓電/鐵電薄膜的平整度；(2)成本低、簡單易行保留阻擋層的陽極氧化鋁薄膜的制備屬于現有技術，該技術相對成熟，例如可以采用目前廣泛使用的電化學氧化-陽極氧化方法，即將清洗去污，拋光去除表面氧化層的高純度鋁片作為正極(陽極)，鉬電極作為負極(陰極)，將兩個電極置于電解液中(比如草酸溶液)，然后通一定的電壓進行電化學反應，接著用氯化銅等溶液去除鋁片的基底，同時保留阻擋層，就得到保留阻擋層的陽極氧化鋁薄膜；待阻擋層表面沉積底電極與壓電/鐵電薄膜后，采用堿溶液腐蝕帶阻擋層的陽極氧化鋁薄膜，使阻擋層和陽極氧化鋁薄膜溶解在堿溶液中，從而得到自支撐的壓電/鐵電薄膜；因此，該制備方法成本低、簡單易行；因此，本發明巧妙地將帶有阻擋層的陽極氧化鋁薄膜運用在自支撐壓電/鐵電薄膜的制備中，將其作為基底制備壓電/鐵電薄膜，然后采用堿溶液腐蝕溶解的方法去除基底，得到自支撐壓電/鐵電薄膜，是一種成本低、轉換效率高、簡單易行的方法，具有良好的應用前景。
圖1是本發明自支撐壓電/鐵電薄膜的制備工藝流程圖；圖2是本發明未去除帶有阻擋層的陽極氧化鋁薄膜的整體薄膜結構示意圖；圖3是本發明去除帶有阻擋層的陽極氧化鋁薄膜后得到的自支撐壓電/鐵電薄膜的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述，需要指出的是，以下所述實施例旨在便于對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。圖2與圖3中的附圖標記為200-氧化鋁，201-阻擋層，202-底電極，203-壓電/ 鐵電薄膜，204-頂電極。實施例1 本實施例中，自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法包括兩個過程，即首先制備如圖2 所示結構的整體薄膜，然后制備如圖3所示結構的自支撐壓電/鐵電薄膜。具體步驟如下(1)如圖2所示，采用電化學氧化-陽極氧化方法制備保留阻擋層201的陽極氧化鋁(AAO) 200，具體如下①預處理首先將高純鋁片在馬弗爐中450°C退火證，然后用乙醇進行超聲清洗， 去除鋁表面的污染物，接下來用乙醇和高氯酸4 1(體積比)的混合溶液進行拋光，去除表面形成的天然氧化鋁層；②陽極氧化在0. 3mol/L的草酸溶液中進行陽極氧化，以Pt作為陰極，經①預處理的高純鋁片作為陽極，氧化池；
③去除背面鋁用加有高氯酸的氯化銅溶液，采用置換反應去除鋁片背面未被氧化的鋁，得到帶有阻擋層201的陽極氧化鋁200 ；(2)在步驟(1)得到的陽極氧化鋁200的阻擋層201表面采用電子束蒸發沉積 200nm的鉬(Pt)襯底作為底電極202 ；(3)在步驟⑵得到的底電極202表面采用激光脈沖沉積法沉積鋯鈦酸鉛 PZT(53/47)作為壓電/鐵電薄膜203;(4)在步驟(3)得到的壓電/鐵電薄膜203表面采用電子束蒸發沉積50nm的金 (Au)頂電極204，得到如圖2所示的Au/PZT/Pt/AAO薄膜；(5)將上述制備得到的Au/PZT/Pt/AAO薄膜放入20%的KOH溶液中腐蝕5min，阻擋層201和陽極氧化鋁200與KOH反應生成偏鋁酸鉀(KAlO2)溶解在溶液中，然后取出反應后產物，得到如圖3所示的Au/PZT/Pt自支撐薄膜。實施例2 本實施例中，自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法與實施例1中的制備方法基本相同，所不同的是在步驟O)中采用磁控濺射法在步驟(1)得到的陽極氧化鋁200的阻擋層 201表面沉積200nm的Pt薄膜作為底電極202，在步驟(5)中采用20%的NaOH溶液腐蝕帶有阻擋層201的陽極氧化鋁200，其余步驟(1)、(3)與(4)與實施例1相同，制備得到如圖 3所示的Au/PZT/Pt自支撐薄膜。實施例3:本實施例中，自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法與實施例1中的制備方法基本相同，所不同的是在步驟(3)中采用磁控濺射法在步驟( 得到的底電極202表面沉積氧化鋅作為壓電/鐵電薄膜203;在步驟(5)中采用3. 5%的Ba(OH)2溶液腐蝕帶有阻擋層201 的陽極氧化鋁200，其余步驟(1)、(2)與(4)與實施例1相同，制備得到如圖3所示的Au/ ZnO/Pt自支撐薄膜。以上所述的實施例對本發明的技術方案進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發明的具體實施例，并不用于限制本發明，凡在本發明的原則范圍內所做的任何修改、 補充或類似方式替代等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法，其特征是首先采用現有技術制備保留阻擋層O01)的陽極氧化鋁薄膜O00)；然后，在所述的陽極氧化鋁薄膜O00)的阻擋層 (201)表面沉積底電極002)，接著在所述的底電極(20 表面依次沉積壓電/鐵電薄膜 (203)與頂電極Q04)；最后，用堿溶液腐蝕保留阻擋層O01)的陽極氧化鋁薄膜000)，使阻擋層(201)和陽極氧化鋁薄膜(200)溶解在堿溶液中，得到自支撐壓電/鐵電薄膜。
2.根據權利要求1所述的一種自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法，其特征是所述的堿溶液包括氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化銣、氫氧化銫、氫氧化鈣、氫氧化鍶、氫氧化鋇的水溶液中的一種。
3.根據權利要求1或2所述的一種自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法，其特制是所述的底電極(202)是Pt、Au、Pd中的一種。
4.根據權利要求1或2所述的一種自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法，其特征是所述的沉積壓電/鐵電薄膜O03)的方法包括脈沖激光沉積，濺射法，分子束外延，化學氣相沉積，物理氣相沉積，電子束蒸發法制備壓電/鐵電薄膜。
全文摘要
本發明公開了一種自支撐壓電/鐵電薄膜的制備方法，該方法首先采用現有技術制備保留阻擋層的陽極氧化鋁薄膜；然后，在所述的陽極氧化鋁薄膜的阻擋層表面沉積底電極，接著在所述的底電極表面依次沉積壓電/鐵電薄膜與頂電極；最后，用堿溶液腐蝕保留阻擋層的陽極氧化鋁薄膜，使阻擋層和陽極氧化鋁薄膜溶解在堿溶液中，得到自支撐壓電/鐵電薄膜。本發明的制備方法克服了襯底對薄膜存在束縛作用而導致的轉化效率低、不易集成的問題，得到的自支撐壓電/鐵電薄膜具有平整度高、轉換效率高的優點，是一種成本低廉、簡單易行的制備方法，具有良好的應用前景。
文檔編號H01L41/22GK102569639SQ201210002889
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者尚杰, 左正笏, 李潤偉, 詹清峰, 陳斌 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所