专利名称：一种自支撑压电/铁电薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及压电/铁电薄膜材料技术领域，尤其涉及一种自支撑压电/铁电薄膜的制备方法。
背景技术：
近年来，从环境振动源中进行能量收集越来越受到科研工作者的重视，该技术尤其适用于无线技术和低功率电子器件领域。该技术的一种实现方式是采用压电材料将机械振动能转化为电能。通常情况下，压电材料沉积在衬底上并被其所束缚。但是，由于衬底只起支撑作用而并不能转化电能，因此器件的能量转化效率比较低且难与其他微电子器件集成。为了解决上述问题，人们提出了自支撑结构薄膜来满足要求。当同样的刺激施加到自支撑薄膜材料上时，由于不存在衬底束缚力，薄膜会发生较大的形变。因此，与制备在衬底上的传统薄膜相比，自支撑薄膜对外界刺激的感应更加灵敏，例如，对于某些性能测试而言，当输入相同的信号时，自支撑薄膜比传统薄膜有更大的输出信号。Kok等人在2009年用碳牺牲层法制备了 60微米的自支撑压电厚膜。但是，由于丝网印刷成膜技术的局限，碳牺牲层法难于制备微米级别以下的自支撑薄膜。Massaro等在 2011年提出了用钼做牺牲层制备400纳米的氮化铝纳米带用于能量收集，使能量转化效率得到提高。但是，金属钼做为牺牲层，难于制备需要高温沉积的薄膜材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对目前压电/铁电薄膜制备技术中由于采用衬底一方面对薄膜存在束缚力而导致转化效率低，另一方面引起器件不易集成等问题，提出一种制备自支撑压电/铁电薄膜的新方法。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是一种自支撑压电/铁电薄膜的制备方法，如图1所示，首先采用现有技术制备保留阻挡层的阳极氧化铝薄膜(ΑΑ0，即英文 Anodic Aluminum Oxide Template的缩写)；然后在该阳极氧化铝薄膜的阻挡层表面沉积底电极，接着在底电极表面依次沉积压电/铁电薄膜与顶电极，得到如图2所示结构的整体薄膜；最后用碱溶液腐蚀溶解保留阻挡层的阳极氧化铝薄膜，得到如图3所示结构的薄膜， 即得到自支撑压电/铁电薄膜。所述的碱溶液包括但不限于氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铷(RbOH)、 氢氧化铯(CsOH)、氢氧化钙(Ca(OH)2)、氢氧化锶(Sr (OH) 2)、氢氧化钡(Ba(OH)2)的水溶液等中的一种。所述的底电极包括但不限于钼(Pt)、金(Au)、钯(Pd)中的一种。所述的沉积压电/铁电薄膜的方法包括但不限于脉冲激光沉积(PLD)、溅射法 (Sputter)、分子束外延(MBE)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、电子束蒸发法等方法。
与现有的自支撑压电/铁电薄膜相比，本发明具有如下优点(1)薄膜平整度高采用阳极氧化铝薄膜作为基底，该阳极氧化铝薄膜基底薄而多孔，机械强度低，并且该阳极氧化铝薄膜是带有阻挡层的阳极氧化铝薄膜，在该阳极氧化铝薄膜的阻挡层表面依次沉积Pt、Au、Pd等底电极与压电/铁电薄膜，能够提高底电极的平整度，从而提高压电/铁电薄膜的平整度；(2)成本低、简单易行保留阻挡层的阳极氧化铝薄膜的制备属于现有技术，该技术相对成熟，例如可以采用目前广泛使用的电化学氧化-阳极氧化方法，即将清洗去污，抛光去除表面氧化层的高纯度铝片作为正极(阳极)，钼电极作为负极(阴极)，将两个电极置于电解液中(比如草酸溶液)，然后通一定的电压进行电化学反应，接着用氯化铜等溶液去除铝片的基底，同时保留阻挡层，就得到保留阻挡层的阳极氧化铝薄膜；待阻挡层表面沉积底电极与压电/铁电薄膜后，采用碱溶液腐蚀带阻挡层的阳极氧化铝薄膜，使阻挡层和阳极氧化铝薄膜溶解在碱溶液中，从而得到自支撑的压电/铁电薄膜；因此，该制备方法成本低、简单易行；因此，本发明巧妙地将带有阻挡层的阳极氧化铝薄膜运用在自支撑压电/铁电薄膜的制备中，将其作为基底制备压电/铁电薄膜，然后采用碱溶液腐蚀溶解的方法去除基底，得到自支撑压电/铁电薄膜，是一种成本低、转换效率高、简单易行的方法，具有良好的应用前景。
图1是本发明自支撑压电/铁电薄膜的制备工艺流程图；图2是本发明未去除带有阻挡层的阳极氧化铝薄膜的整体薄膜结构示意图；图3是本发明去除带有阻挡层的阳极氧化铝薄膜后得到的自支撑压电/铁电薄膜的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。图2与图3中的附图标记为200-氧化铝，201-阻挡层，202-底电极，203-压电/ 铁电薄膜，204-顶电极。实施例1 本实施例中，自支撑压电/铁电薄膜的制备方法包括两个过程，即首先制备如图2 所示结构的整体薄膜，然后制备如图3所示结构的自支撑压电/铁电薄膜。具体步骤如下(1)如图2所示，采用电化学氧化-阳极氧化方法制备保留阻挡层201的阳极氧化铝(AAO) 200，具体如下①预处理首先将高纯铝片在马弗炉中450°C退火证，然后用乙醇进行超声清洗， 去除铝表面的污染物，接下来用乙醇和高氯酸4 1(体积比)的混合溶液进行抛光，去除表面形成的天然氧化铝层；②阳极氧化在0. 3mol/L的草酸溶液中进行阳极氧化，以Pt作为阴极，经①预处理的高纯铝片作为阳极，氧化池；
③去除背面铝用加有高氯酸的氯化铜溶液，采用置换反应去除铝片背面未被氧化的铝，得到带有阻挡层201的阳极氧化铝200 ；(2)在步骤(1)得到的阳极氧化铝200的阻挡层201表面采用电子束蒸发沉积 200nm的钼(Pt)衬底作为底电极202 ；(3)在步骤⑵得到的底电极202表面采用激光脉冲沉积法沉积锆钛酸铅 PZT(53/47)作为压电/铁电薄膜203;(4)在步骤(3)得到的压电/铁电薄膜203表面采用电子束蒸发沉积50nm的金 (Au)顶电极204，得到如图2所示的Au/PZT/Pt/AAO薄膜；(5)将上述制备得到的Au/PZT/Pt/AAO薄膜放入20%的KOH溶液中腐蚀5min，阻挡层201和阳极氧化铝200与KOH反应生成偏铝酸钾(KAlO2)溶解在溶液中，然后取出反应后产物，得到如图3所示的Au/PZT/Pt自支撑薄膜。实施例2 本实施例中，自支撑压电/铁电薄膜的制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，所不同的是在步骤O)中采用磁控溅射法在步骤(1)得到的阳极氧化铝200的阻挡层 201表面沉积200nm的Pt薄膜作为底电极202，在步骤(5)中采用20%的NaOH溶液腐蚀带有阻挡层201的阳极氧化铝200，其余步骤(1)、(3)与(4)与实施例1相同，制备得到如图 3所示的Au/PZT/Pt自支撑薄膜。实施例3:本实施例中，自支撑压电/铁电薄膜的制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，所不同的是在步骤(3)中采用磁控溅射法在步骤( 得到的底电极202表面沉积氧化锌作为压电/铁电薄膜203;在步骤(5)中采用3. 5%的Ba(OH)2溶液腐蚀带有阻挡层201 的阳极氧化铝200，其余步骤(1)、(2)与(4)与实施例1相同，制备得到如图3所示的Au/ ZnO/Pt自支撑薄膜。以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、 补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种自支撑压电/铁电薄膜的制备方法，其特征是首先采用现有技术制备保留阻挡层O01)的阳极氧化铝薄膜O00)；然后，在所述的阳极氧化铝薄膜O00)的阻挡层 (201)表面沉积底电极002)，接着在所述的底电极(20 表面依次沉积压电/铁电薄膜 (203)与顶电极Q04)；最后，用碱溶液腐蚀保留阻挡层O01)的阳极氧化铝薄膜000)，使阻挡层(201)和阳极氧化铝薄膜(200)溶解在碱溶液中，得到自支撑压电/铁电薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种自支撑压电/铁电薄膜的制备方法，其特征是所述的碱溶液包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铷、氢氧化铯、氢氧化钙、氢氧化锶、氢氧化钡的水溶液中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的一种自支撑压电/铁电薄膜的制备方法，其特制是所述的底电极(202)是Pt、Au、Pd中的一种。
4.根据权利要求1或2所述的一种自支撑压电/铁电薄膜的制备方法，其特征是所述的沉积压电/铁电薄膜O03)的方法包括脉冲激光沉积，溅射法，分子束外延，化学气相沉积，物理气相沉积，电子束蒸发法制备压电/铁电薄膜。
全文摘要
本发明公开了一种自支撑压电/铁电薄膜的制备方法，该方法首先采用现有技术制备保留阻挡层的阳极氧化铝薄膜；然后，在所述的阳极氧化铝薄膜的阻挡层表面沉积底电极，接着在所述的底电极表面依次沉积压电/铁电薄膜与顶电极；最后，用碱溶液腐蚀保留阻挡层的阳极氧化铝薄膜，使阻挡层和阳极氧化铝薄膜溶解在碱溶液中，得到自支撑压电/铁电薄膜。本发明的制备方法克服了衬底对薄膜存在束缚作用而导致的转化效率低、不易集成的问题，得到的自支撑压电/铁电薄膜具有平整度高、转换效率高的优点，是一种成本低廉、简单易行的制备方法，具有良好的应用前景。
文档编号H01L41/22GK102569639SQ201210002889
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者尚杰, 左正笏, 李润伟, 詹清峰, 陈斌 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所