CN102060531A - 一种制备pzt压电陶瓷薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备PZT压电陶瓷薄膜的方法，步骤为：分别称取Pb(CH3COO)2·3H2O溶液、Zr(NO3)4·5H2O溶液和Ti(OC4H9)4 溶液，并混合溶于有机溶剂中，得到混合溶液，再调节所得混合溶液pH值至3.0-5.5，得到锆钛酸铅前驱体溶胶；利用所得的锆钛酸铅前驱体溶胶成膜；将所得的膜在150-300oC下进行预热处理1-16h；在150-300oC水热条件下，进行水热处理1-36h，得到晶化的锆钛酸铅薄膜。本发明针对目前PZT压电薄膜制备方法中的不足，减少薄膜的宏观缺陷和裂纹，减少薄膜电极间的漏电流值，提高其压电特性，同时可促进PZT压电陶瓷薄膜在纳米制造、MEMS、超精密加工等领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电陶瓷薄膜的制备方法，尤其涉及一种锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷薄膜的低温晶化制备方法。
背景技术
压电陶瓷具有正、逆压电效应、响应快、功耗低、位移分辩率高等优点，作为传感器和驱动器在精密机械、电子技术、生物工程、通讯技术等多个领域得到了广泛的应用。
随着MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)、微电子系统的发展，对压电功能器件的小型化、微型化提出了越来越高的要求。由于压电陶瓷薄膜的厚度仅为几十纳米到几个微米，并且兼有单晶和陶瓷的优点，即表面光滑致密、易于制造、价格低廉、便于调变性能、可靠稳定，引起了人们特别的关注。使用薄膜可以使压电器件达到平面化和集成化，使压电材料与半导体材料紧密地结合，实现压电与载流子、声波与光波的相互作用，制成各种新型压电与声光的单片集成器件。一般压电薄膜的厚度仅为几十纳米到几个微米，因此可以通过特殊方法实现与MEMS工艺的结合，制造成为MEMS意义上的微型传感器和执行器。
PZT压电陶瓷薄膜（分子式为PbZrxTi1-xO3 x=0-0.6）因具有良好的机电耦合特性、高居里温度点、强自发极性等众多优异性能而被广泛地应用于光、电、热、声等高科技领域，尤其在微电子和光电子领域内有着广阔的应用前景。
虽然溶胶-凝胶法制备陶瓷薄膜具有众多优点，但是通常需要进一步加热以控制化学计量比和优化晶粒取向，制得的薄膜致密性较差，干燥处理过程中易出现龟裂现象，薄膜结构和生产速率对基片和电极材料很敏感。然而水热法可以弥补溶胶-凝胶法制备陶瓷薄膜的不足，它是在液相中一次完成，不需要后期的高温退火热处理，这就避免了薄膜在热处理过程中可能导致的卷曲、开裂、晶粒粗化，薄膜与衬底或气氛反应等缺陷；而且水热法制备薄膜的设备简单，水热处理温度较低，避免了水热处理前后薄膜与衬底成分的互扩散，所得薄膜纯度高，均一性好；薄膜与衬底结合牢固，不但不受衬底形状和尺寸限制，且可以控制薄膜中晶相颗粒大小。水热法也属于环境友好型薄膜制备方法。
发明内容
1、 技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种在低环境温度（150-300 oC）和水热条件下制备PZT压电陶瓷薄膜的方法。
2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的制备PZT压电陶瓷薄膜的方法包括下列步骤：
步骤一：分别称取Pb(CH3COO)2·3H2O溶液、Zr(NO3)4·5H2O溶液和Ti(OC4H9)4溶液，并混合溶于有机溶剂中，得到混合溶液，再调节所得混合溶液pH值至3.0-5.5，得到锆钛酸铅前驱体溶胶；所述的有机溶剂为乙酰丙酮和甲酰胺的混合液，一般采用乙酸调节所得混合溶液的PH值。
步骤二：利用所得的锆钛酸铅前驱体溶胶成膜，成膜过程一般在匀胶机匀胶(spin-coating)完成，也可以采用本技术领域其他常用的浸渍提拉(dip-coating)、喷涂(spraying)或刷涂(painting)等方法成膜；
步骤三：将所得的膜在150-300 oC下进行预热处理1-16h；为了达到成型好的湿膜，一般重复步骤二、三3至10次；
步骤四：在150-300 oC水热条件下，将所得的湿膜进行水热处理1-36h，得到晶化的锆钛酸铅薄膜；所述的水热处理条件可以是在水溶液中进行处理，也可以是在水热蒸汽条件下的水热处理。
本发明的低温晶化方法将溶胶-凝胶法和水热法结合在一起，利用溶胶-凝胶法制备湿膜，然后通过水热处理，使其晶粒生长，得到致密性较高的薄膜。
3、有益效果
本发明针对目前PZT压电薄膜制备方法中的不足，尤其是溶胶-凝胶法制备薄膜需要后期的晶化热处理，带来宏观缺陷的问题，结合溶胶-凝胶法和水热法制备薄膜的优点，采用水热-溶胶凝胶法制备锆钛酸铅压电薄膜，减少薄膜的宏观缺陷和裂纹，以便减少薄膜电极间的漏电流值，提高薄膜的压电特性，同时可促进PZT压电陶瓷薄膜在纳米制造、MEMS、超精密加工等领域的应用。
具体实施方式
实施例一：
称取Pb(CH3COO)2·3H2O、Zr(NO3)4·5H2O、Ti(OC4H9)4，再分别溶于乙二醇和甲醚的混合液中，制得一定浓度的Pb(CH3COO)2·3H2O溶液、Zr(NO3)4·5H2O溶液和Ti(OC4H9)4溶液，再各取一定量的三种溶液混合，然后加入乙酰丙酮和甲酰胺，同时加入乙酸来调节pH值至3.0，最终制成锆钛酸铅前驱体溶胶。
采用旋转镀膜法，利用制成的锆钛酸铅前驱体溶胶在匀胶机上进行镀膜，转速4000r/min，时间30s。将所制的湿膜250oC下烘干，保温1h。重复上述工艺过程，一共镀膜6次。最后将薄膜在250oC下水热处理4h。
实施例二：
称取Pb(CH3COO)2·3H2O、Zr(NO3)4·5H2O、Ti(OC4H9)4，再分别溶于乙二醇和甲醚的混合液中，制得一定浓度的Pb(CH3COO)2·3H2O溶液、Zr(NO3)4·5H2O溶液和Ti(OC4H9)4 溶液，再各取一定量的三种溶液混合，然后加入乙酰丙酮和甲酰胺，同时加入乙酸来调节pH值至5.5，最终制成锆钛酸铅前驱体溶胶。
接着采用喷涂法镀膜，将所制的湿膜在200oC下烘干，保温10h。重复上述工艺过程，一共喷涂10次。最后将薄膜在300oC下水热处理24h。
Claims (3)
1.一种制备PZT压电陶瓷薄膜的低温晶化方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一：分别称取Pb(CH3COO)2·3H2O溶液、Zr(NO3)4·5H2O溶液和Ti(OC4H9)4 溶液，并混合溶于有机溶剂中，得到混合溶液，再调节所得混合溶液pH值至3.0-5.5，得到锆钛酸铅前驱体溶胶；
步骤二：在匀胶机上利用所得的锆钛酸铅前驱体溶胶成膜；
步骤三：将所得的膜在150-300 oC下进行预热处理1-16h；
步骤四：在150-300 oC水热条件下，进行水热处理1-36h，得到晶化的锆钛酸铅薄膜。
2.如权利要求1所述的制备PZT压电陶瓷薄膜的低温晶化方法，其特征在于，步骤一中的有机溶剂为乙酰丙酮和甲酰胺的混合液。
3.如权利要求1所述的制备PZT压电陶瓷薄膜的低温晶化方法，其特征在于，步骤一中，利用乙酸调节所得混合溶液的PH值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20110518 |