專(zhuān)利名稱(chēng)：利用種膜作籽晶液相外延生長(zhǎng)鐵電厚膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用種膜作籽晶液相外延生長(zhǎng)(Liquid Phase Epitaxy，簡(jiǎn)稱(chēng)LPE)鐵電厚膜的方法。通過(guò)各種物理化學(xué)方法獲得的高取向性的薄膜作為籽晶，控制LPE過(guò)程的外延生長(zhǎng)，從而有利于層狀的，完整的鐵電厚膜的生長(zhǎng)模式。
背景技術(shù)：
鉛基鐵電材料以其優(yōu)良的壓電、介電性能引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲診療儀器和海軍聲納等領(lǐng)域。目前國(guó)際上僅B超類(lèi)超聲診療儀器的年產(chǎn)值就高達(dá)20億美元，其中材料市場(chǎng)接近2億美元，而以鋯鈦酸鉛(Pb(Zr1/2Ti1/2)O3，簡(jiǎn)稱(chēng)PZT)壓電陶瓷為主的超聲探頭，分辨率和帶寬都難以滿足對(duì)微小病灶(毫米尺度)及血液流速流量探測(cè)的要求，急待更新?lián)Q代。以鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3，簡(jiǎn)稱(chēng)PMNT)和鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛(Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3，簡(jiǎn)稱(chēng)PZNT)為代表的弛豫鐵電單晶的性能指標(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前普遍使用的PZT壓電陶瓷[Yamashita Y and Harada K，Jpn.J.Appl.Phys.，1997366037.]，其壓電系數(shù)d33、機(jī)電耦合系數(shù)k33分別高達(dá)2000pC/N和90％以上，應(yīng)變量達(dá)到1.7％，被認(rèn)為是下一代B超用最佳壓電材料[Fu H X，CohenR E，Nature，2000，403281.]。PMNT、PZNT單晶體材料制備過(guò)程中尚有很多問(wèn)題有待進(jìn)一步解決，例如(1)氧化鉛揮發(fā)的控制；(2)成分不均勻等問(wèn)題。中國(guó)自1996年起開(kāi)展新型弛豫鐵電單晶的生長(zhǎng)研究，率先采用坩堝下降法生長(zhǎng)出直徑50mm的弛豫鐵電單晶，產(chǎn)生了一定的國(guó)際影響。但是，由于該晶體為固溶體，制備過(guò)程中組分隨溫度變化，因而均勻性難控制并且晶體缺陷較多，晶體的質(zhì)量及性能難以保證。通過(guò)引入液相外延技術(shù)生長(zhǎng)鐵電厚膜[XH Zeng XYao et al.J.Cry.Growth，2004，26，251]，實(shí)現(xiàn)了在鈦酸鍶(SrTiO3)基片上的PZNT外延生長(zhǎng)，但獲得的PZNT厚膜均呈島狀，未能形成完整的厚膜片，難以應(yīng)用于實(shí)際的產(chǎn)業(yè)之中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有鉛基鐵電單晶體制備過(guò)程中的困難及不足，提供一種新的液相外延生長(zhǎng)鐵電材料的制備方法，即通過(guò)沉積在基片上的高取向性的薄膜作為外延生長(zhǎng)的籽晶，獲得大面積的、高質(zhì)量的、成片的鐵電厚膜，為鐵電材料厚膜生長(zhǎng)開(kāi)辟新的領(lǐng)域。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明采用沉積在基板上(鈦酸鍶、氧化鎂等)的各種不同的薄膜(PZT，REBCO等)作為種膜，液相外延生長(zhǎng)鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMNT)或鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛(PZNT)鐵電厚膜。先按照通常晶體生長(zhǎng)采用的PZNT或PMNT組分進(jìn)行氧化物原料配料，然后把配好的粉料在瑪瑙球磨罐中球磨并進(jìn)行煅燒，最后將煅燒后的粉料與助熔劑氧化鉛混合均勻，經(jīng)過(guò)高溫下一段時(shí)間的泡料后，在鍍有種膜的基片上外延生長(zhǎng)制備PZNT(PMNT)厚膜。
與通常直接采用單晶體作極板材料相比，由于薄膜作籽晶有利于外延厚膜按照二維層狀模式生長(zhǎng)，易于形成整片完整厚膜，有利于其鐵電、壓電性能的提高。在本發(fā)明中，主要涉及兩種類(lèi)型的薄膜作種膜，一種是結(jié)構(gòu)類(lèi)似的鐵電薄膜材料(如PZT薄膜)，另一種是高溫超導(dǎo)異質(zhì)薄膜(如REBCO，RE＝Y(jié)，Nd，Sm等)，后者通過(guò)本方法液相外延生長(zhǎng)還可得到一種超導(dǎo)/鐵電異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的方法具體操作如下1.按照化學(xué)計(jì)量比的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMNT)或鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛(PZNT)進(jìn)行氧化物原料配料；2.加入無(wú)水乙醇作介質(zhì)，在瑪瑙球磨罐中球磨1～2小時(shí)，將粉料烘干后放入氧化鋁坩堝，并在850～900℃煅燒4～8小時(shí)；3.將煅燒后的塊狀物料在瑪瑙研缽中研磨15分鐘，并將研磨得到的粉料按照(45～50)wt％PZNT(PMNT)與(50～55)wt％氧化鉛進(jìn)行均勻混合，再將混合均勻的粉料壓片；4.將粉料壓片放入密封坩堝中，并在2～4小時(shí)升溫至1150～1180℃，在此溫度下保溫1～2小時(shí)進(jìn)行泡料；5.待粉料壓片完全熔化為液體后，降溫至1050～1080℃，在鍍有種膜的基片上進(jìn)行厚膜的外延生長(zhǎng)，通常生長(zhǎng)時(shí)間為幾秒鐘至10分鐘，可以得到所需不同厚度的PZNT(PMNT)厚膜。
本發(fā)明方法采用沉積在基片上的薄膜作為種膜來(lái)外延生長(zhǎng)鉛基鐵電厚膜材料，可以在相同的溶劑條件下，采用鍍有種膜的基片，能夠有效地，快速地外延生長(zhǎng)出大面積、高質(zhì)量、成片的鐵電厚膜。本發(fā)明方法適用于制備各種類(lèi)型的鐵電厚膜材料，如PZNT，PMNT厚膜等。
本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，操作方便，拓展了液相外延方法在鐵電厚膜材料制備方面的應(yīng)用，制備的鐵電材料厚膜不僅成分和物性均一，取向可控，而且可以按照層狀模式生長(zhǎng)，獲得的厚膜大面積成片，克服直接從基片島狀生長(zhǎng)難以大面積成片的問(wèn)題，更易于產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。另外，LPE的制備技術(shù)擁有快速沉積(μm/min量級(jí))和低成本(非真空下生長(zhǎng))的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例11、按照化學(xué)計(jì)量比0.91PbZn1/3Nb2/3O3-0.09PbTiO3進(jìn)行氧化物原料配料；2、加入無(wú)水乙醇作介質(zhì)，在瑪瑙球磨罐中球磨2小時(shí)，將粉料烘干后放入氧化鋁坩堝，并在900℃進(jìn)行4小時(shí)煅燒；3、將煅燒后的塊狀物料在瑪瑙研缽中研磨15分鐘，并將研磨得到的粉料按照50wt％PZNT和50wt％氧化鉛進(jìn)行均勻混合，再將混合均勻的粉料壓成Φ25mm的圓片；4、將粉料壓片放入密封的坩堝中，并在2小時(shí)升溫至1150℃，在此溫度下保溫1小時(shí)進(jìn)行泡料；5、降溫至1050℃，從頂部放入鍍有YBCO種膜的氧化鎂基片進(jìn)行PZNT鐵電厚膜外延生長(zhǎng)，生長(zhǎng)時(shí)間為1秒鐘。
實(shí)施例21、按照化學(xué)計(jì)量比0.67PbMg1/3Nb2/3O3-0.33PbTio3進(jìn)行氧化物原料配料；2、加入無(wú)水乙醇作介質(zhì)，在瑪瑙球磨罐中球磨1小時(shí)，將粉料烘干后放入氧化鋁坩堝，并在850℃進(jìn)行8小時(shí)煅燒；3、將煅燒后的塊狀物料在瑪瑙研缽中研磨15分鐘，并將研磨得到的粉料按照45wt％PMNT與55wt％氧化鉛進(jìn)行均勻混合，再將混合均勻的粉料壓成Φ25mm的圓片；4、將粉料壓片放入密封的坩堝中，并在4小時(shí)升溫至1180℃，在此溫度下保溫2小時(shí)進(jìn)行泡料；5、降溫至1050℃，從頂部放入鍍有PZT種膜的鈦酸鍶基片進(jìn)行外延生長(zhǎng)，生長(zhǎng)時(shí)間為10秒鐘，得到PMNT膜厚度為幾個(gè)微米。
權(quán)利要求
1.一種利用種膜作籽晶液相外延生長(zhǎng)鐵電厚膜的方法，其特征在于包括如下步驟(1)按照化學(xué)計(jì)量比的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛PMNT或鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛PZNT進(jìn)行氧化物原料配料；(2)加入無(wú)水乙醇作介質(zhì)，在瑪瑙球磨罐中球磨1～2小時(shí)，將粉料烘干后放入氧化鋁坩堝，并在850～900℃煅燒4～8小時(shí)；(3)將煅燒后的塊狀物料在瑪瑙研缽中研磨15分鐘，并將研磨得到的粉料按照45～50wt％PZNT或PMNT與50～55wt％氧化鉛進(jìn)行均勻混合，再將混合均勻的粉料壓片；(4)將粉料壓片放入密封坩堝中，并在2～4小時(shí)升溫至1150～1180℃，在此溫度下保溫1～2小時(shí)進(jìn)行泡料；(5)待粉料壓片完全熔化為液體后，降溫至1050～1080℃，在鍍有種膜的基片上進(jìn)行厚膜的外延生長(zhǎng)，得到所需不同厚度的PZNT或PMNT厚膜。
全文摘要
一種利用種膜作籽晶液相外延生長(zhǎng)鐵電厚膜的方法，首先按照通常鈮鎂酸鉛－鈦酸鉛(PMNT)或鈮鋅酸鉛－鈦酸鉛(PZNT)晶體生長(zhǎng)采用的組分進(jìn)行氧化物原料配料，然后把配好的粉料在瑪瑙球磨罐中球磨并進(jìn)行煅燒，最后將煅燒后的粉料與助熔劑氧化鉛混合均勻，經(jīng)過(guò)高溫下一段時(shí)間的泡料后，在鍍有種膜的基片上外延生長(zhǎng)制備PZNT或PMNT厚膜。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，操作方便，拓展了液相外延方法在鐵電厚膜材料制備方面的應(yīng)用，制備的鐵電材料厚膜不僅取向可控，而且可以按照層狀模式生長(zhǎng)，克服直接從基片島狀生長(zhǎng)難以大面積成片的問(wèn)題，使其更易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01L41/24GK1585150SQ20041002468
公開(kāi)日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月27日
發(fā)明者姚忻, 曾新華, 秦奮 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)