CN103693959A - 一种同时具有高压电常数和高储能密度的(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种同时具有高压电常数和高储能密度的(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜及其制备方法 Download PDF

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本发明属于电子功能材料与器件领域，特别涉及一种同时具有高压电常数和高储能密度的(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜及其制备方法。所述薄膜属于铋系铁电化合物固溶体，其组成为(Pb1-xBix)(Nix/2Zrx/2Ti1-x)O3，其中0<x<0.5，属于钙钛矿结构。其制备方法为：按照上述化学结构通式称取符合化学计量比的各种原料进行配制，在基底上沉积形成结构致密、成分均匀的铁电薄膜。该薄膜具有优异的介电、铁电和压电性能，尤其该薄膜具有非常高的击穿场强和储能密度，相比目前市场上应用的电容器的储能密度高出一个数量级，在压电器件以及高功率大容量电容器件中有很大的潜在应用前景，更为重要的是利用其同时具有高的压电常数和高的储能密度可以作为压电能量收集和存储的关键材料。

Description

一种同时具有高压电常数和高储能密度的(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于电子功能材料与器件领域，特别涉及一种同时具有高压电常数和高储能密度的(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜及其制备方法。
背景技术
压电材料广泛应用于通信、家电、航空、探测、计算机等诸多领域，如压电能量收集、压电换能器、声表面波器件、压力传感器、驱动器等器件中。压电陶瓷占整个功能陶瓷世界份额的1/3之多，已经成为国防和民用工业以及日常生活中重要的功能材料。特别是随着微电子技术的迅猛发展，基于压电效应发电的微电源在可携带电子器件、无线传感网络和微机械系统（MEMS）等领域具有非常广泛的应用前景，引起了国内外学者的密切关注。压电微型发电源电能的产生是基于压电材料的压电效应，把机械振动能转换成电能，它相比化学电池无污染、生命周期长并能够自主供电无需更换电池等优点。由于压电材料收集的平均能量很小，一般需要借助能量存储器件把能量存储起来以便为电子元器件供电。因而，目前研究和应用的压电能量收集系统一般包括压电能量收集与能量转换和存储两部分。在目前实际生产出来的压电能量收集器件中，大部分都是以传统的锆钛酸铅（PZT）等具有高压电常数的压电材料作为压电片，而其能量储存器件需借助具有高储能密度的器件，如传统电容器、电解电容器、超级电容器和可充电镍氢电池等将其存储起来。压电发电装置和储能器件需要分开设计，这在很大程度上给压电发电装置和储能器件在集成电路上的集成和组装带来了很大困难。如若能够生产一种既具有优异的压电性能又具有优异的储能特性的材料，将大大简化电路，且利于电子器件的集成和组装，将具有非常大的实用意义。然而，目前市场上应用的传统压电材料（如PZT等）虽然具有高的压电常数，但由于其击穿电场低，储能密度很小，不能作为高储能电路元件；而像目前研究很多的铁电聚合物（如PVDF）、反铁电材料等虽具有高的储能密度，但其压电性能很差，若作为压电发电装置，其压电转换效率将很低。
本发明所制备的(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜不仅具有优异的压电性能，其压电常数d33高达50-80pm/V，可以与传统的PZT压电薄膜相媲美，而且具有非常高的储能密度15-40J/cm3，相比目前实际应用的传统电容器储能密度高出一个数量级，因而在压电器件和高功率大容量电容器的开发与应用领域具有非常大的应用前景，更为重要的是利用其同时具有高的压电常数和高的储能密度可以作为压电能量收集和存储的关键材料。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种同时具有高储能密度和高压电常数的薄膜材料，其压电常数高达50-80pm/V，储能密度可达15-40J/cm3，为压电器件和高功率大容量电容器提供一种新型的薄膜材料，另外可以利用其同时具有高的压电常数和高的储能密度的特点可以作为压电能量收集和存储的关键材料。
本发明利用薄膜制备技术，成功制备出具有优异的介电、铁电和压电性能以及高储能密度的(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜。
针对现有技术不足，本发明提供了一种同时具有高压电常数和高储能密度的(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜及其制备方法。
一种同时具有高压电常数和高储能密度的(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜，所述铁电薄膜的组成为(Pb1-xBix)(Nix/2Zrx/2Ti1-x)O3，0<x<0.5，所述铁电薄膜具有优异的介电、铁电和压电性能以及非常高的储能特性，其介电常数为650-950，低介电损耗为4-7%，压电常数为50-80pm/V，储能密度为15-40J/cm3。
所述(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜可以通过溶胶凝胶法、脉冲激光沉积或磁控溅射制备得到。
一种同时具有高压电常数和高储能密度的(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜的制备方法，所述制备方法为溶胶凝胶法，其具体步骤如下：
（1）所述铁电薄膜的组成为(Pb1-xBix)(Nix/2Zrx/2Ti1-x)O3，其所需制备原料及用量为按照摩尔比(1.05～1.30)(1-x)：(1-x)：(1.05～1.20)x：0.5x：0.5x，0<x<0.5，分别称量三水合醋酸铅、异丙醇钛、五水合硝酸铋、四水合醋酸镍和正丙醇锆，所述三水合醋酸铅和五水合硝酸铋的用量分别为按照上述对应的摩尔比再过量5%～30%；
（2）先用乙酰丙酮作为稳定异丙醇钛的螯合剂，两者的体积比为（1～3）:1，将二者混合搅拌均匀后加入3～6倍异丙醇钛体积的冰醋酸，混合搅拌均匀后再按照步骤（1）中所述用量加入五水合硝酸铋，溶解完全后再加入3～6倍异丙醇钛体积的去离子水，混合搅拌均匀后，再按照步骤（1）中所述用量加入已称量的三水合醋酸铅和四水合醋酸镍；
（3）再将步骤（1）中所述用量的Zr(OCH(CH3)2)4溶解于乙二醇甲醚中，所述乙二醇甲醚和异丙醇钛用量的体积比为（0.5～5）：1；
（4）将所述步骤（2）和步骤（3）制备的溶液混合，并搅拌均匀，最后待混合溶液澄清后加入1～2倍异丙醇钛体积的甲酰胺，获得浓度为0.1～0.5mol/L的前驱体溶液，将所得前驱体溶液静置陈化1～10天形成溶胶；
（5）将所述步骤（4）所得到的溶胶旋涂到基底上，随后将涂覆得到的薄膜放在烘胶台上在80～300℃下干燥1～5min，之后在快速退火炉中400-650℃下热解3～10min；并重复数次以上“旋涂-干燥-热解”步骤以获得所需厚度的薄膜；
（6）将得到的样品在快速退火炉中500-900℃下退火3～15min，即可得到(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜。
所述步骤（4）中的混合均匀后的前驱体溶液的PH值为5～6。
所述步骤（5）中的旋涂工艺为：转速为2000～8000转/min，时间为20～60s。
所述基底为市售Pt(111)/Ti/SiO2/Si基底。
所述步骤（5）中得到的薄膜厚度为50nm～5μm。
本发明的有益效果为：
本发明制备了一种新型(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜，它具有优异的压电性能，其压电常数d33高达50-80pm/V，以及很高的储能密度，其储能密度能达到15-40J/cm3，在压电器件以及高功率大容量电容器件中有很大的潜在应用前景，可以为高功率大容量电容器和压电传感器开发和应用提供一种新型的材料，更为重要的是利用其同时具有高的压电常数和高的储能密度可以作为压电能量收集和存储的关键材料。
附图说明
图1为实施例1-5中x依次为0.1、0.2、0.3、0.4、0.45时(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜的XRD图；
图2a为实施例4中(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜的AFM表面形貌图，图2b为实施例4中(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜的SEM断面形貌图；
图3a-图3e依次分别为实施例1-5中(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜的电滞回线图；
图4为实施例1-5中(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜的压电性能图，图4a-图4e依次为实施例1-5的位移-电压曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种同时具有高压电常数和高储能密度的(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜及其制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
根据(Pb0.9Bi0.1)(Ni0.05Zr0.05Ti0.9)O3化学组成，称量三水合醋酸铅、异丙醇钛、五水合硝酸铋、四水合醋酸镍和正丙醇锆，以及冰醋酸、去离子水、乙酰丙酮和甲酰胺，为了补偿铅和铋在热处理过程中的损失，三水合硝酸铅和五水合硝酸铋均过量5%，制备得到的前驱体溶液浓度为0.1mol/L，PH值为5.1。
将上述配制的前驱体溶液静置陈化1天形成溶胶后，旋涂在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备成薄膜，旋涂转速为2000转/分，时间为20s；随后将涂覆好的样品放在烘胶台上在80℃温度下干燥1min，随后放入快速热处理炉中400℃下热解3min；重复“旋涂-干燥-热解”过程10次后，最后将热解后的样品在快速热处理炉中600℃退火15min，随炉冷却，即可得到200nm厚的(Pb0.9Bi0.1)(Ni0.05Zr0.05Ti0.9)O3铁电薄膜。
薄膜的XRD曲线如图1(x=0.1)所示，薄膜的电滞回线如图3a所示。薄膜的压电性能如图4所示。薄膜的电学性能参数如表1所示。
参照图1薄膜的XRD曲线可知薄膜为纯钙钛矿结构。由图3a薄膜的电滞回线图及表1薄膜的电学性能数据可知该组分薄膜的储能密度约为15.44J/cm3，储能效率约为54.97%。由图4薄膜的压电性能图及表1薄膜的电学性能数据可知该组分薄膜的压电常数约为50.1pm/V。
实施例2
根据(Pb0.8Bi0.2)(Ni0.1Zr0.1Ti0.8)O3化学组成，称量三水合醋酸铅、异丙醇钛、五水合硝酸铋、四水合醋酸镍和正丙醇锆，以及冰醋酸、去离子水、乙酰丙酮和甲酰胺，为了补偿铅和铋在热处理过程中的损失，三水合硝酸铅和五水合硝酸铋均过量10%，制备的前驱体溶液浓度为0.2mol/L，PH值为5.3。
将上述配制的前驱体溶液静置陈化3天形成溶胶后，旋涂在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备成薄膜，旋涂转速为3000转/分，时间为50s；随后将涂覆好的样品放在烘胶台上在100℃温度下干燥2min，随后放入快速热处理炉中450℃下热解6min；重复“旋涂-干燥-热解”过程8次后，最后将热解后的样品在快速热处理炉中650℃退火10min，随炉冷却，即可得到280nm厚的(Pb0.8Bi0.2)(Ni0.1Zr0.1Ti0.8)O3铁电薄膜。
薄膜的XRD曲线如图1(x=0.2)所示，薄膜的电滞回线如图3b所示。薄膜的电学性能参数如表1所示。
参照图1(x=0.2)薄膜的XRD曲线可知薄膜为纯钙钛矿结构。由图3b薄膜的电滞回线图及表1薄膜的电学性能数据可知该组分薄膜的储能密度约为19.01J/cm3,储能效率约为45.56%。由图4薄膜的压电性能图及表1薄膜的电学性能数据可知该组分薄膜的压电常数约为60.5pm/V。
实施例3
根据(Pb0.7Bi0.3)(Ni0.15Zr0.15Ti0.7)O3化学组成，称量三水合醋酸铅、异丙醇钛、五水合硝酸铋、四水合醋酸镍和正丙醇锆，以及冰醋酸、去离子水、乙酰丙酮和甲酰胺，为了补偿铅和铋在热处理过程中的损失，三水合硝酸铅和五水合硝酸铋均过量20%，制备的前驱体溶液的浓度为0.4mol/L，PH值为5.5。
将上述配制的前驱体溶液静置陈化5天形成溶胶后，旋涂在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备成薄膜，旋涂转速为4000转/分，时间为40s；随后将涂覆好的样品放在烘胶台上在150℃温度下干燥3min，随后放入快速热处理炉中500℃下热解8min；重复“旋涂-干燥-热解”过程15次后，最后将热解后的样品在快速热处理炉中750℃退火7min，随炉冷却，即可得到840nm厚的(Pb0.7Bi0.3)(Ni0.15Zr0.15Ti0.7)O3铁电薄膜。
薄膜的XRD曲线如图1(x=0.3)所示，薄膜的电滞回线如图3c所示。薄膜的电学性能参数如表1所示。
参照图1(x=0.3)薄膜的XRD曲线可知薄膜为纯钙钛矿结构。由图3c薄膜的电滞回线图及表1薄膜的电学性能数据可知该组分薄膜的储能密度约为35.12J/cm3,储能效率约为48.54%。由图4薄膜的压电性能图及表1薄膜的电学性能数据可知该组分薄膜的压电常数约为70.4pm/V。
实施例4
根据(Pb0.6Bi0.4)(Ni0.2Zr0.2Ti0.6)O3化学组成，称量三水合醋酸铅、异丙醇钛、五水合硝酸铋、四水合醋酸镍和正丙醇锆，以及冰醋酸、去离子水、乙酰丙酮和甲酰胺，为了补偿铅和铋在热处理过程中的损失，三水合硝酸铅和五水合硝酸铋均过量15%，制备的前驱体溶液浓度为0.3mol/L，PH值为5.4。
将上述配制的前驱体溶液静置陈化7天形成溶胶后，旋涂在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备成薄膜，旋涂转速为5000转/分，时间为30s；随后将涂覆好的样品放在烘胶台上在200℃温度下干燥4min，随后放入快速热处理炉中550℃下热解5min；重复“旋涂-干燥-热解”过程7次后，最后将热解后的样品在快速热处理炉中700℃退火5min，随炉冷却，即可得到300nm厚的(Pb0.6Bi0.4)(Ni0.2Zr0.2Ti0.6)O3铁电薄膜。
薄膜的XRD曲线如图1(x=0.4)所示，薄膜的AFM表面形貌及SEM断面形貌图如图2所示，薄膜的电滞回线如图3d所示，薄膜的电学性能参数如表1所示。
参照图1(x=0.4)薄膜的XRD曲线可知薄膜为纯钙钛矿结构。由图2薄膜的AFM及SEM形貌图可知，所制备的铁电薄膜结构致密均匀，且无孔洞，晶粒尺寸约为55nm，薄膜厚度约为300nm。由图3d薄膜的电滞回线图及表1薄膜的电学性能数据可知该组分薄膜的储能密度达到了40.65J/cm3，储能效率约为49.54%。由图4薄膜的压电性能图及表1薄膜的电学性能数据可知该组分薄膜的压电常数约为78.6pm/V。
实施例5
根据(Pb0.55Bi0.45)(Ni0.225Zr0.225Ti0.55)O3化学组成，称量三水合醋酸铅、异丙醇钛、五水合硝酸铋、四水合醋酸镍和正丙醇锆，以及冰醋酸、去离子水、乙酰丙酮和甲酰胺，为了补偿铅和铋在热处理过程中的损失，三水合硝酸铅和五水合硝酸铋均过量25%，制备的前驱体溶液的浓度为0.5mol/L，PH值为5.7。
将上述配制的前驱体溶液静置陈化10天形成溶胶后，旋涂在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备成薄膜，旋涂转速为6000转/分，时间为60s；随后将涂覆好的样品放在烘胶台上在300℃温度下干燥5min，随后放入快速热处理炉中650℃下热解10min；重复“旋涂-干燥-热解”过程10次后，最后将热解后的样品在快速热处理炉中800℃退火3min，随炉冷却，即可得到650nm厚的(Pb0.55Bi0.45)(Ni0.225Zr0.225Ti0.55)O3铁电薄膜。
薄膜的XRD曲线如图1(x=0.45)所示，薄膜的电滞回线如图3e所示。薄膜的电学性能参数如表1所示。
参照图1(x=0.45)薄膜的XRD曲线可知薄膜为纯钙钛矿结构。由图3e薄膜的电滞回线图及表1薄膜的电学性能数据可知该组分薄膜的储能密度约为31.31J/cm3,储能效率约为49.13%。由图4薄膜的压电性能图及表1薄膜的电学性能数据可知该组分薄膜的压电常数约为60.6pm/V。
表1 实施例1-5(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜的电学性能表
Figure BDA0000433565020000091

Claims (7)

1.一种同时具有高压电常数和高储能密度的(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜，其特征在于：所述铁电薄膜的组成为(Pb1-xBix)(Nix/2Zrx/2Ti1-x)O3，0<x<0.5，所述铁电薄膜的介电常数为650-950，低介电损耗为4-7%，压电常数为50-80pm/V，储能密度为15-40J/cm3。
2.根据权利要求1所述的一种同时具有高压电常数和高储能密度的(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜，其特征在于：所述(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜通过溶胶凝胶法、脉冲激光沉积或磁控溅射制备得到。
3.一种同时具有高压电常数和高储能密度的(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法为溶胶凝胶法，其具体步骤如下：
（1）所述铁电薄膜的组成为(Pb1-xBix)(Nix/2Zrx/2Ti1-x)O3，其所需制备原料及用量为按照摩尔比(1.05～1.30)(1-x)：(1-x)：(1.05～1.20)x：0.5x：0.5x，0<x<0.5，分别称量三水合醋酸铅、异丙醇钛、五水合硝酸铋、四水合醋酸镍和正丙醇锆，所述三水合醋酸铅和五水合硝酸铋的用量分别为按照上述对应的摩尔比再过量5%～30%；
（2）先用乙酰丙酮作为稳定异丙醇钛的螯合剂，两者的体积比为（1～3）:1，将二者混合搅拌均匀后加入3～6倍异丙醇钛体积的冰醋酸，混合搅拌均匀后再按照步骤（1）中所述用量加入五水合硝酸铋，溶解完全后再加入3～6倍异丙醇钛体积的去离子水，混合搅拌均匀后，再按照步骤（1）中所述用量加入已称量的三水合醋酸铅和四水合醋酸镍；
（3）再将步骤（1）中所述用量的Zr(OCH(CH3)2)4溶解于乙二醇甲醚中，所述乙二醇甲醚和异丙醇钛用量的体积比为（0.5～5）：1；
（4）将所述步骤（2）和步骤（3）制备的溶液混合，并搅拌均匀，最后待混合溶液澄清后加入1～2倍的异丙醇钛体积的甲酰胺，获得浓度为0.1～0.5mol/L的前驱体溶液，将所得前驱体溶液静置陈化1～10天形成溶胶；
（5）将所述步骤（4）所得到的溶胶旋涂到基底上，随后将涂覆得到的薄膜放在烘胶台上在80～300℃下干燥1～5min，之后在快速退火炉中400～650℃下热解3～10min；并重复数次以上“旋涂-干燥-热解”步骤以获得所需厚度的薄膜；
（6）将得到的样品在快速退火炉中500～900℃下退火3～15min，即可得到(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜。
4.根据权利要求3所述的一种同时具有高压电常数和高储能密度的(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中的混合均匀后的前驱体溶液的PH值为5～6。
5.根据权利要求3～4任意一项权利要求所述的一种同时具有高压电常数和高储能密度的(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中的旋涂工艺为：转速为2000～8000转/min，时间为20～60s。
6.根据权利要求3～5任意一项权利要求所述的一种同时具有高压电常数和高储能密度的材料(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜的制备方法，其特征在于：所述基底为市售Pt(111)/Ti/SiO2/Si基底。
7.根据权利要求3～6任意一项权利要求所述的一种同时具有高压电常数和高储能密度的(Pb,Bi)(Ni,Zr,Ti)O3固溶体铁电薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中得到的薄膜厚度为50nm～5μm。
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