基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的制作方法

本公开属于信号处理电子器件领域，涉及一种基于二维压电材料薄膜的声表面波器件。

背景技术：

声表面波(saw，surfaceacousticwave)器件作为一种声学技术与电子技术相结合的信号处理电子器件，被广泛地应用在现代通信系统及传感领域。工作频率是声表面波器件的一个重要性能参数，随着移动通信等领域的发展，市场上对声表面波器件频率的要求越来越高，对高频、宽带、低损的声表面波滤波器的需求越来越迫切。并且，随着器件微型化、人机交互等的需求，对于柔性器件、轻便化器件的需求也随着高性能的要求同时提出。

声表面波器件的工作频率由声表面波的波长和声表面波的波速决定。制备高频声表面波器件可以通过减小波长和提高声速来实现。目前，声表面波的波长由叉指换能器的叉指电极的指条宽度及指间距决定，叉指换能器指条宽度及指间距一般为微米或纳米量级，由于受到微电子加工工艺的限制，指条宽度及指间距难以进一步降低，因此对波长的调控力度有限，一般通过提高声表面波的波速或寻找具有高声速的声表面波模式来提高声表面波器件的工作频率。

较常见的方法是，在高声速基底上制备压电薄膜，利用基底的高声速来提高激发的声表面波的波速，从而制备高频声表面波器件。在这种器件结构中，随着压电薄膜厚度的逐渐降低，声表面波的波速逐渐升高，向基底的声速趋近；但器件的机电耦合系数却随压电薄膜厚度的降低而降低。

目前，声表面波器件中所用的压电材料都是基于三维压电材料的压电单晶材料、压电陶瓷材料、压电薄膜材料，比如石英、氧化锌、氮化镓、铌酸锂和钽酸锂等，而这些三维压电材料的厚度都较大，无法制备成极薄的压电薄膜；如果进一步减小三维压电材料的厚度，对应会产生机电耦合系数小、难以有效地激发声表面波、以及导致器件性能劣化直至失效等的问题。

因此，迫切需要寻找一类具有较薄厚度的压电材料的声表面波器件，同时具备高频、较高的机电耦合系数、轻便化、甚至柔性等综合性能，以克服传统的三维压电材料在较薄状态下产生的机电耦合系数小、难以有效激发声表面波、以及器件性能劣化直至失效等的问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于二维压电材料薄膜的声表面波器件，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于二维压电材料薄膜的声表面波器件，包括：基底；二维压电薄膜，位于基底之上；以及电极层，位于二维压电薄膜之上，包括：叉指换能器及其匹配电路；其中，二维压电薄膜的材料为具有压电性的二维材料，该二维压电薄膜的压电极化方向平行于二维压电薄膜所在平面的方向。

在本公开的一些实施例中，二维压电薄膜的层数为单层或者多层，厚度介于0.1nm～1μm之间；和/或二维压电薄膜的材料包括如下材料中的一种：二硫化钼、二硒化钨、二碲化钼。

在本公开的一些实施例中，基底的材料为如下材料中的一种：高声速基底材料，包括：蓝宝石、金刚石、类金刚石、碳化硅；常用基底材料，包括：硅片、氧化硅片；透明基底材料；柔性基底材料；以及柔性透明的基底材料。

在本公开的一些实施例中，叉指换能器及其匹配电路的结构为如下电极结构中的一种：延迟线结构、交错对插换能器结构、纵向耦合双模谐振滤波器结构、以及梯形结构；和/或电极层的材料为导电材料，包括如下材料中的一种：金属、合金、金属氧化物、氧化铟锡、掺铝氧化锌、石墨烯、以及碳纳米管。

在本公开的一些实施例中，声表面波器件为如下器件中的一种：声表面波滤波器、声表面波谐振器、声表面波延迟线、声表面波卷积器、声表面波传感器。

根据本公开的另一个方面，提供了一种基于二维压电材料薄膜的声表面波器件，包括：基底；电极层，位于基底之上，包括：叉指换能器及其匹配电路；以及二维压电薄膜，位于电极层之上；其中，二维压电薄膜的材料为具有压电性的二维材料，该二维压电薄膜的压电极化方向平行于二维压电薄膜所在平面的方向。

在本公开的一些实施例中，二维压电薄膜的层数为单层或者多层，厚度介于0.1nm～1μm之间；和/或二维压电薄膜的材料包括如下材料中的一种：二硫化钼、二硒化钨、二碲化钼。

在本公开的一些实施例中，基底的材料为如下材料中的一种：高声速基底材料，包括：蓝宝石、金刚石、类金刚石、碳化硅；常用基底材料，包括：硅片、氧化硅片；透明基底材料；柔性基底材料；以及柔性透明的基底材料。

在本公开的一些实施例中，叉指换能器及其匹配电路的结构为如下电极结构中的一种：延迟线结构、交错对插换能器结构、纵向耦合双模谐振滤波器结构、以及梯形结构；和/或电极层的材料为导电材料，包括如下材料中的一种：金属、合金、金属氧化物、氧化铟锡、掺铝氧化锌、石墨烯、以及碳纳米管。

在本公开的一些实施例中，声表面波器件为如下器件中的一种：声表面波滤波器、声表面波谐振器、声表面波延迟线、声表面波卷积器、声表面波传感器。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于二维压电材料薄膜的声表面波器件，具有以下有益效果：

(1)使用二维压电薄膜作为声表面波器件的压电材料，该二维压电薄膜的压电极化方向与其所在平面平行，具有较高的机电耦合系数，可有效激发声表面波，并使得激发的声表面波的波速趋近于基底材料的声速，减小了声表面波器件的体积，可以实现高频、宽带、低损、轻便化的综合性能；

(2)该二维压电薄膜便于转移，可以方便的转移到任何基底上，来满足不同类型声表面波器件的需要，具有广泛的应用前景；

(3)更进一步的，由于二维压电薄膜的厚度极薄，具有很好的透光性和柔韧性，通过选用柔性和/或透明的基底材料和电极材料，可以用于柔性和/或透明声表面波器件的制备。

附图说明

图1为根据本公开一实施例所示的基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的俯视结构示意图。

图2为根据本公开第一个实施例所示的基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的截面结构示意图。

图3为根据本公开第二个实施例所示的基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的截面结构示意图。

图4为根据本公开一实例所示的基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的典型频率特性曲线。

图5为根据本公开第一个实施例所示的基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的制备方法流程图。

图6为根据本公开第二个实施例所示的基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的制备方法流程图。

【符号说明】

11-输入叉指换能器；12-输出叉指换能器；

2-二维压电薄膜；3-基底。

具体实施方式

本公开提供了一种基于二维压电材料薄膜的声表面波器件，使用二维压电薄膜作为声表面波器件的压电材料，该二维压电薄膜具备零点几纳米到几百纳米的量级的极薄的厚度，并且压电极化方向与其所在平面平行，可有效激发声表面波，并使得激发的声表面波的波速趋近于基底材料的声速，减小了声表面波器件的体积，可用于制备高频、宽带、低损、轻便化的声表面波器件。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开中，术语“位于之上”的含义包括：直接位于界面之上，或者间隔开其他层位于界面之上；“介于之间”包含端点值。

通常，声表面波器件由基底、压电材料、叉指换能器等部分组成。其中，叉指换能器主要用于在压电基片表面激励和检测声表面波，从而实现电信号和声表面波信号间的相互转换，具有声电转换效率高、设计灵活、容易制作等优点，因而被广泛地应用在声表面波器件中。随着声表面波技术的广泛应用和各种声表面波器件的不断发展，叉指换能器的设计结构也越来越复杂，性能在不断提高。

压电材料的作用有两个：一是完成电能和机械能的相互耦合，实现电信号和声表面波信号之间的相互转换；二是承载声表面波的传播。

基底的主要作用是承载压电材料和叉指换能器等电极结构，在有些情况下，尤其是压电薄膜厚度较小时，声表面波也会进入基底在基底表面传播。因此，基底材料对声表面波的波速、声表面波的传播损耗、机电耦合系数等都有影响。对于在块体压电基片上制备的声表面波器件，压电基片本身就充当了基底，并不需要额外的基底。

因此，在制备声表面波器件时，需要根据不同的功能需求，设计并选择合适的基底、压电材料和叉指换能器等。

对于基于压电多层膜结构的声表面波器件来说，声表面波波速由压电薄膜和基底决定：根据压电多层膜结构的声表面波速频散曲线，压电薄膜厚度越薄，声表面波速越快，直至趋近基底材料的声速。因此，通过选用高声速基底并减小压电薄膜的厚度，可以提高声表面波的波速，进而提高器件的工作频率。提高声表面波的波速的方法有：一、使用具备高声速的压电材料；二、在蓝宝石(al2o3)、金刚石、类金刚石、碳化硅等高声速基底上制备压电薄膜材料，形成压电多层膜结构，利用基底的高声速来提高声表面波速；三、利用高声速的声表面波模式。

本公开基于上述基本思路，并使用二维压电薄膜作为声表面波器件的压电材料，该二维压电薄膜具备零点几纳米到几百纳米的量级的极薄的厚度，并且压电极化方向与其所在平面平行，可达到提高声表面波的波速的效果。

图1为根据本公开一实施例所示的基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的俯视结构示意图。图2为根据本公开第一个实施例所示的基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的截面结构示意图。图3为根据本公开第二个实施例所示的基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的截面结构示意图。

结合图1-图3所示，本公开的基于二维压电材料薄膜的声表面波器件，包括：基底3；二维压电薄膜2，位于基底3之上；电极层，位于二维压电薄膜2之上或者位于基底3与二维压电薄膜2之间，包括：输入叉指换能器11和输出叉指换能器12，该输入叉指换能器11与输出叉指换能器12之间存在距离，构成延迟线结构；其中，二维压电薄膜2的材料为具有压电性的二维材料，压电极化方向平行于该二维压电薄膜所在平面的方向。

在一些实施例中，二维压电薄膜2的材料为具有压电性的二维材料，该二维压电薄膜2的厚度极薄，仅有一个到几十乃至几百、上万个分子层厚，厚度约从零点几纳米到百纳米量级；比如单分子层或奇数分子层的mos2、mote2、wse2等。对于提高该声表面波器件的频率来说，选用的二维压电薄膜2的厚度越薄，对于高声速基底来说，对应的声表面波器件的频率越高。

二维压电薄膜与传统的三维压电材料的区别在于：1、厚度极薄，仅有一个到几十乃至几百个分子层厚，厚度约从零点几纳米到百纳米；2、虽然厚度极薄，但其压电极化方向与基底平面平行，仍能有效激发声表面波，具备较高的机电耦合系数。因此，使用二维压电薄膜可以制备高频、宽带、低损的声表面波器件。

在一些实施例中，电极层是通过延迟线结构来实现的，比如第一个实施例所示的叉指换能器(idt)的结构，电极层也可以替换为交错对插换能器(iidt)结构、纵向耦合双模谐振滤波器(lcrf)结构及梯形结构等其他公知电极结构。

在一些实施例中，该基于二维压电材料薄膜的声表面波器件可以但不限于是：声表面波滤波器、声表面波谐振器、声表面波延迟线、声表面波卷积器、声表面波传感器等。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于二维压电材料薄膜的声表面波器件。

参照图1和图2所示，本实施例中，基于二维压电材料薄膜的声表面波器件，包括：基底3；二维压电薄膜2，位于基底3之上；电极层，位于二维压电薄膜2之上，包括：输入叉指换能器11和输出叉指换能器12，该输入叉指换能器11与输出叉指换能器12之间存在距离，构成延迟线结构；其中，二维压电薄膜2的材料为具有压电性的二维材料，压电极化方向平行于二维压电薄膜所在平面的方向。

本实施例中，基底3的材料包括但不限于如下材料中的一种：蓝宝石、金刚石、类金刚石、碳化硅等高声速基底材料，硅片、氧化硅片等常用基底材料，玻璃等透明基底材料，以及pet等柔性基底材料等。

由于二维压电薄膜的厚度极薄，对于基于二维压电薄膜/高声速基底的多层膜结构的声表面波器件，压电薄膜使用二维压电材料相对传统的三维压电材料来说可以使激发的声表面波的波速趋近高声速基底材料的声速，大大提高了声表面波的波速，从而在相同的叉指换能器指条宽度及指间距时，可以达到更高的频率。

本实施例中，二维压电薄膜2的材料包括但不限于如下材料中的一种或几种：二硫化钼(mos2)、二硒化钨(wse2)、二碲化钼(mote2)等二维压电材料，同时二维压电薄膜2的层数可以为单层也可以为多层，厚度介于0.1nm～1μm之间，约从零点几纳米到百纳米量级，比如：0.65nm、80nm、200nm、500nm等。二维压电薄膜2可以是直接在基底3上制备的，也可以是在其他基底上制备后再转移到基底3上面。

参照图1所示，本实施例中，输入叉指换能器11和输出叉指换能器12构成延迟线结构，叉指电极的厚度、指条电极的宽度及指间距均为纳米到微米量级，输入叉指换能器11和输出叉指换能器12的材料为导电材料，包括但不限于如下材料中的一种：金属、合金、金属氧化物、ito(氧化铟锡)、azo(掺铝氧化锌，aluminum-dopedzincoxide)、石墨烯、以及碳纳米管等；为了实现透明和/或柔性的效果，电极层的材料可以是ito(氧化铟锡)、azo(掺铝氧化锌，aluminum-dopedzincoxide)、石墨烯、碳纳米管等透明和/或柔性的导电材料。

本实施例中，该基于二维压电材料薄膜的声表面波器件可以但不限于是：声表面波滤波器、声表面波谐振器、声表面波延迟线、声表面波卷积器、声表面波传感器等。

该基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的工作原理为：输入叉指换能器11接受到射频电信号后，由于逆压电效应，输入叉指换能器11下的二维压电薄膜2发生形变，激发声表面波，电信号转化为声信号；当声表面波传播至输出叉指换能器12时，由于压电效应，声表面波信号被转换为射频电信号输出。由于二维压电薄膜2的厚度极薄，其激发的声表面波速接近基底3材料的声速，因此，对于高声速基底上的二维压电材料激发的声表面波可以获得极高声速，在相同的波长下获得更高的频率。

在一实例中，基底3的材料为表面抛光的r面蓝宝石基底，二维压电薄膜2的材料为：单层二硫化钼薄膜，该单层二硫化钼薄膜被转移到蓝宝石基底表面，输入叉指换能器11和输出叉指换能器12的叉指电极的周期均为2μm，亦即激发的声表面波长也为2μm，对该实例所示的基于二维压电薄膜的声表面波器件进行了性能测试。

图4为根据本公开一实例所示的基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的典型频率特性曲线。

参照图4所示，该基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的中心工作频率约为5ghz，由此推算，声表面波速约为10000m/s，趋近蓝宝石基底的纵体波波速(约为11000m/s)；而中心频率处插损仅为5db，可见，该基于二维压电材料薄膜的声表面波器件实现了高频、宽带、低损、轻便化的综合性能。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种基于二维压电薄膜的声表面波器件，具有柔性且透明的性能。

参照图1和图3所示，本实施例中，基于二维压电材料薄膜的声表面波器件，包括：基底3；电极层，位于基底3之上，包括：输入叉指换能器11和输出叉指换能器12，该输入叉指换能器11与输出叉指换能器12之间存在距离，构成延迟线结构；二维压电薄膜2，位于电极层之上；其中，二维压电薄膜2的材料为具有压电性的二维材料，压电极化方向平行于二维压电薄膜所在平面的方向。

本实施例中，基底3的材料为pi(聚酰亚胺)薄膜、pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)薄膜等柔性透明的基底材料。

本实施例中，二维压电薄膜2的材料包括但不限于如下材料中的一种或几种：二硫化钼(mos2)、二硒化钨(wse2)、二碲化钼(mote2)等二维压电材料，同时二维压电薄膜2的层数可以为单层也可以为多层，厚度介于0.1nm～1μm之间，约从零点几纳米到百纳米量级，比如：0.2nm、50nm、150nm、300nm等。二维压电薄膜2可以是直接在基底3上制备的，也可以是在其他基底上制备后再转移到基底3上面。

本实施例中，输入叉指换能器11和输出叉指换能器的叉指电极的厚度、指条电极的宽度及间距均为纳米到微米量级，输入叉指换能器11和输出叉指换能器12的材料为ito(氧化铟锡)、azo(掺铝氧化锌，aluminum-dopedzincoxide)、石墨烯、碳纳米管等透明导电材料。

由于二维压电薄膜2的厚度极薄，具有很好的透光性和柔韧性，本实施例的基于二维压电薄膜的声表面波器件为柔性透明的声表面波器件。

本实施例中，该基于二维压电材料薄膜的声表面波器件可以但不限于是：声表面波滤波器、声表面波谐振器、声表面波延迟线、声表面波卷积器、声表面波传感器等。

在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种制备第一个实施例所示的基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的制备方法。

图5为根据本公开第一个实施例所示的基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的制备方法流程图。

参照图5所示，制备第一个实施例所示的基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的制备方法，包括：

步骤s502：准备基底，在基底上制备二维压电薄膜，或者将制备好的二维压电薄膜转移到基底上；

本实施例中，二维压电薄膜的制备方法为化学气相沉积(cvd)法。

本实施例中基底3的材料包括但不限于如下材料中的一种：蓝宝石、金刚石、类金刚石、碳化硅等高声速基底材料，硅片、氧化硅片等常用基底材料，玻璃等透明基底材料，以及pet等柔性基底材料等。

本实施例中，二维压电薄膜2的材料包括但不限于如下材料中的一种或几种：二硫化钼(mos2)、二硒化钨(wse2)、二碲化钼(mote2)等二维压电材料，同时二维压电薄膜2的层数可以为单层也可以为多层，厚度介于0.1nm～1μm之间，约从零点几纳米到百纳米量级，比如：0.65nm、80nm、200nm、500nm等。

步骤s504：在二维压电薄膜上制备电极层，完成声表面波器件的制备；

参照图1所示，本实施例中，电极层包括：输入叉指换能器11和输出叉指换能器12，该输入叉指换能器11与输出叉指换能器12之间存在距离，构成延迟线结构，叉指电极的厚度、指条电极的宽度及间距均为纳米到微米量级，输入叉指换能器11和输出叉指换能器12的材料为导电材料，包括但不限于如下材料中的一种：金属、合金、金属氧化物、ito(氧化铟锡)、azo(掺铝氧化锌，aluminum-dopedzincoxide)、石墨烯、以及碳纳米管等；为了实现透明和/或柔性的效果，电极层的材料可以是ito(氧化铟锡)、azo(掺铝氧化锌，aluminum-dopedzincoxide)、石墨烯、碳纳米管等透明和/或柔性的导电材料。

在本公开的第四个示例性实施例中，提供了一种制备第二个实施例所示的基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的制备方法。

图6为根据本公开第二个实施例所示的基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的制备方法流程图。

参照图6所示，制备第二个实施例所示的基于二维压电材料薄膜的声表面波器件的制备方法，包括：

步骤s602：准备基底，在基底上制备电极层；

本实施例中，电极层包括：输入叉指换能器11和输出叉指换能器12，该输入叉指换能器11与输出叉指换能器12之间存在距离，构成延迟线结构，叉指电极的厚度、指条电极的宽度及间距均为纳米到微米量级，输入叉指换能器11和输出叉指换能器12的材料为导电材料，包括但不限于如下材料中的一种：金属、合金、金属氧化物、ito(氧化铟锡)、azo(掺铝氧化锌，aluminum-dopedzincoxide)、石墨烯、以及碳纳米管等；为了实现透明和/或柔性的效果，电极层的材料可以是ito(氧化铟锡)、azo(掺铝氧化锌，aluminum-dopedzincoxide)、石墨烯、碳纳米管等透明和/或柔性的导电材料。

步骤s604：在电极层之上制备二维压电薄膜，或者将制备好的二维压电薄膜转移到电极层之上，完成声表面波器件的制备；

本实施例中，二维压电薄膜的制备方法为化学气相沉积(cvd)法。

本实施例中，基底3的材料为pi(聚酰亚胺)薄膜、pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)薄膜等柔性透明的基底材料。

本实施例中，二维压电薄膜2的材料包括但不限于如下材料中的一种或几种：二硫化钼(mos2)、二硒化钨(wse2)、二碲化钼(mote2)等二维压电材料，同时二维压电薄膜2的层数可以为单层也可以为多层，厚度介于0.1nm～1μm之间，约从零点几纳米到百纳米量级，比如：0.2nm、50nm、150nm、300nm等。

需要说明的是，本公开的声表面波器件中，电极层结构的种类很多：有输入叉指换能器和输出叉指换能器分别置于两端，且中间有间距的双端口型；也有输入叉指换能器和输出叉指换能器间没有间距的双端口型；还有输入电极和输出电极是同一个端口的单端口型等。这些电极结构都是由叉指换能器及其匹配电路组成。

本公开对电极结构没有特殊的要求，电极结构应根据器件具体要实现的功能来确定。实施例中主要以延迟线结构的电极结构为例，但本公开的保护范围不以此为限。

综上所述，本公开提供了一种基于二维压电材料薄膜的声表面波器件，使用二维压电薄膜作为声表面波器件的压电材料，该二维压电薄膜具备零点几纳米到几百纳米的量级的极薄的厚度，并且压电极化方向与基底平面平行，可有效激发声表面波，并使得激发的声表面波的波速趋近于基底材料的声速，减小了声表面波器件的体积，能够用于制备高频、宽带、低损、轻便化的声表面波器件；该二维压电薄膜便于转移，可以方便的转移到任何基底上，来满足不同类型声表面波器件的需要，具有广泛的应用前景；更进一步的，由于二维压电薄膜的厚度极薄，具有很好的透光性和柔韧性，通过选用柔性和/或透明的基底材料，可以实现柔性和/或透明声表面波器件的制备。

需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。