CN104868048A - 一种光致伸缩复合膜及其制作的光驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光致伸缩复合膜及其制作的光驱动器，该复合膜依次由衬底层、下电极层、压电材料层、中间电极层、光伏材料层和顶电极层组成，将压电材料和光伏材料制成薄膜形式，有利于减小光驱动器的尺寸；将压电薄膜和光伏薄膜制成复合膜，分别增强光伏材料层的光电效应和压电材料层的逆压电效应，从而有利于提高光驱动器的光致伸缩效应。本发明的光驱动器的下电极的截面设计为L形，将压电材料层、光伏材料层和顶电极层设置在L型腔内并与下电极连接，实现底电极和顶电极层的无导线导通，进一步有利于减少光驱动器的尺寸，可使光驱动器更美观。
Description
技术领域
本发明属于光致伸缩复合膜领域，具体涉及一种光致伸缩复合膜及其制作的光驱动器。
背景技术
与电、磁驱动相比，光驱动器由于具有无电磁噪音干扰和无需外加电/磁场，且可实现无线远程控制、便于器件的轻量化、小型化、集成化等优点而备受青睐，可用于微机电与微光机电系统驱动。光驱动器基于材料的光致伸缩效应工作，该类材料主要有半导体、铁电陶瓷、有机聚合物。其中，铁电陶瓷具有制备简单、成本较低、光致伸缩效应较强等优点，其光致伸缩效应是光伏效应与逆压电效应的耦合(即在光照下由于铁电材料的光伏效应而产生光生电压，然后在该电压提供的电场作用下，由于铁电材料的逆压电效应而产生形变)。光致伸缩驱动器通过组成调控、尺寸调控、测试条件优化等可以在一定程度上提高铁电材料的光致形变，但为了进一步提高光致伸缩驱动器的性能以满足飞行器等的要求，大幅增强铁电材料的光致伸缩效应(增大光生电压和压电系数)仍是一个重要而且急待解决的问题。光生电压和压电系数对材料尺度的要求是矛盾的，这是造成铁电材料光致伸缩效果不显著的重要原因。
发明内容
为了提高光驱动器的光致伸缩性能，本发明提供了一种光致伸缩膜以及其制作的光驱动器。
一种光致伸缩复合膜，包括：
一衬底层；
一底电极层，生长在衬底层上；
一压电材料层，沉积在底电极层上；
一中间电极层，沉积在压电材料层上；
一光伏材料层，沉积在中间电极层上；
一顶电极层，沉积在光伏材料层上，选用透光的导电材料制成。
进一步，所述衬底层选用SrTiO3基片、硅基片、铂基片其中一种。
进一步，所述底电极层和中间电极层选用SrRuO3、钙钛矿型LaNiO3其中一种制成；所述顶电极层选用铟锡氧化物(ITO)、锡氟氧化物(FTO)、锌铝氧化物(AZO)中的一种制成。
进一步，所述压电材料层选用Pb(ZrxTi1-x)O3(0<x<1)、钛酸铅(PbTiO3)、钛酸钡(BaTiO3)其中一种制成。
进一步，所述光伏材料层选用Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(0<x<1，0<y<1)，钛酸钡(BaTiO3)、铁酸铋(BiFeO3)铁电材料中的一种制成。
基于上述光致伸缩复合膜制作的光驱动器，包括：
一衬底层；
一底电极，生长在衬底层上；
一压电材料层，沉积在底电极上；
一中间电极层，沉积在压电材料层上；
一光伏材料层，沉积在中间电极层上；
一顶电极层，沉积在光伏材料层上，选用透光的导电材料制成；
所述底电极的一端向上延伸分别与压电材料层、光伏材料层和顶电极层连接；所述光伏材料层与底电极层连接的一端向下延伸至压电材料层表面，用于将中间电极层与底电极隔开。
进一步，所述衬底层选用SrTiO3基片、硅基片、铂基片其中一种。
进一步，所述底电极和中间电极层选用SrRuO3、钙钛矿型LaNiO3其中一种制成；所述顶电极层选用铟锡氧化物(ITO)、锡氟氧化物(FTO)、锌铝氧化物(AZO)中的一种制成。
进一步，所述压电材料层选用Pb(ZrxTi1-x)O3(0<x<1)、钛酸铅(PbTiO3)、钛酸钡(BaTiO3)其中一种制成。
进一步，所述光伏材料层选用Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(0<x<1，0<y<1)，钛酸钡(BaTiO3)、铁酸铋(BiFeO3)铁电材料中的一种制成。
本发明的有益效果：
本发明的光致伸缩复合膜，选用光伏效应显著的光伏材料层为压电材料层提供电场，制作单独的光伏材料层和压电材料层，从而可增加光伏材料层的薄膜厚度，有利于获得更大的光生电压；同时减小压电材料层的薄膜厚度，提高其压电系数；本发明将光伏材料层和压电材料层进行复合，能够提高压电材料层的光致伸缩效应，即光致形变。基于光致伸缩复合膜制作的光驱动器，不仅能有较高的光致伸缩效应；同时底电极的截面设计为L形将压电材料层、光伏材料层和顶电极层连接，实现底电极和顶电极层的无导线导通，有利于减小光驱动器的尺寸，也使光驱动器更加美观；同时压电材料和光伏材料为薄膜形式制作成光驱动器，也有利于减小光驱动器的尺寸。
附图说明
图1是本发明的光致伸缩膜；
图2是本发明的光驱动器的剖视图。
附图标记
1、1’-衬底层； 2-下电极层； 2’-下电极； 3、3’-中间电极层；
4、4’-压电材料层； 5、5’-中间电极层； 6、6’-顶电极层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
如图1所示，一种光致伸缩复合膜，包括：
一衬底层1；
一底电极层2，生长在衬底层1上，用于测量光伏材料层5的光生电压和压电材料层3的压电性能；
一压电材料层3，沉积在底电极层2上，在光伏材料层5产生的电压下发生形变；
一中间电极层4，沉积在压电材料层3上，用于与上电极层6一起将光照下光伏材料层5中产生的电压传输到压电材料层3上；
一光伏材料层5，沉积在中间电极层4上，用于将光能转化为电能为压电材料层3提供电压；
一顶电极层6，沉积在光伏材料层5上，选用透光的导电材料制成，用于将光线透射到光伏材料层5，同时与底电极层2连通，将光照下光伏材料层5中产生的电压传输到压电材料层3使其发生形变。
所述衬底层1选用SrTiO3基片、硅基片、铂基片其中一种，优选SrTiO3。
所述底电极层2和中间电极4层选用SrRuO3、钙钛矿型LaNiO3其中一种制成，优选SrRuO3。
所述压电材料层3选用Pb(ZrxTi1-x)O3(0<x<1，简写为PZT)、钛酸铅(PbTiO3)、钛酸钡(BaTiO3)其中一种制成，优选Pb(Zr0.52Ti0.48)O3。
所述光伏材料层5选用Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(0<x<1，0<y<1，简写为PLZT)，钛酸钡(BaTiO3)、铁酸铋(BiFeO3)铁电材料中的一种制成，优选Pb0.97La0.03Zr0.52Ti0.48O3。
所述顶电极层6选用铟锡氧化物(ITO)、锡氟氧化物(FTO)、锌铝氧化物(AZO)中的一种制成，优选ITO。
上述的光致伸缩薄膜，如果将SrRuO3单晶作为衬底，则衬底SrTiO3可以不要。考虑到SrRuO3单晶比较昂贵，而SrTiO3比较廉价，本实例选择SrTiO3单晶作为衬底。
上述光致伸缩复合膜制备：首先采用磁控溅射法在具有(001)取向的STO单晶衬底上生长底电极SRO薄膜，然后通过改变沉积温度、功率、时间，在SRO底电极上溅射沉积Pb(Zr0.52Ti0.48)O3薄膜，最后将其进行快速退火。采用同样技术在Pb(Zr0.52Ti0.48)O3薄膜上依次沉积SRO中间电极、Pb0.97La0.03Zr0.52Ti0.48O3薄膜以及顶电极ITO。Pb0.97La0.03Zr0.52Ti0.48O3薄膜经快速退火后，采用同样方法研究其晶粒取向，并分别对Pb(Zr0.52Ti0.48)O3、Pb0.97La0.03Zr0.52Ti0.48O3薄膜预极化。
通过调控溅射功率和沉积时间，在SRO/STO上制备出不同厚度的Pb(Zr0.52Ti0.48)O3、Pb0.97La0.03Zr0.52Ti0.48O3薄膜；通过改变衬底、沉积温度、退火温度和保温时间等工艺参数，制备出不同晶粒尺寸的Pb(Zr0.52Ti0.48)O3、Pb0.97La0.03Zr0.52Ti0.48O3薄膜；通过膜厚和退火速度等可调控Pb(Zr0.52Ti0.48)O3、Pb0.97La0.03Zr0.52Ti0.48O3薄膜的电畴尺寸。
如图2所示，基于上述光致伸缩复合膜制作的光驱动器，包括：
一衬底层1’；
一底电极2’，生长在衬底层1’上；
一压电材料层3’，沉积在底电极2’上；
一中间电极层4’，沉积在压电材料层3’上；
一光伏材料层5’，沉积在中间电极层4’上；
一顶电极层6’，沉积在光伏材料层5’上，选用透光的导电材料制成。
所述底电极2’的一端向上延伸分别与压电材料层3’、光伏材料层5’和顶电极层6’连接；所述光伏材料层5’与底电极层2’连接的一端向下延伸至压电材料层3’表面，用于将中间电极层4’与底电极2’隔开。本实施例中底电极2’设置为L形，其侧面分别与压电材料层3’、光伏材料层5’和顶电极层6’连接，实现底电极2’与顶电极层6’的无导线导通，有利于减小光驱动器的尺寸。所述压电材料层和光伏材料层均为薄膜形式制作成驱动器也有利于减小光驱动器的尺寸。本实施例的光伏材料层5’设置为倒L形，其L侧面沉积在底电极2’的侧面上，防止中间电极层4’与底电极2’导通，所述中间电极层4’沉积在光伏材料层5’与底电极2’之间的L型腔。
所述压电材料层3’、中间电极层4’、光伏材料层5’和顶电极层6’的截面长度依次比其所覆盖层短，方便连接底电极2’、中间电极层4’和顶电极层6’测量光伏材料层5’的光生电压和压电材料层3’的压电性。
所述衬底层1’选用SrTiO3基片、硅基片、铂基片其中一种，优选SrTiO3基片。
所述底电极2’和中间电极层4’选用SrRuO3、钙钛矿型(LaNiO3)其中一种制成，优选SrRuO3。
所述压电材料层3’选用Pb(ZrxTi1-x)O3(0<x<1，简写为PZT)、钛酸铅(PbTiO3)、钛酸钡(BaTiO3)其中一种制成，优选Pb(Zr0.52Ti0.48)O3。
所述光伏材料层5’选用Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(0<x<1，0<y<1，简写为PLZT)，钛酸钡(BaTiO3)、铁酸铋(BiFeO3)铁电材料中的一种制成，优选Pb0.97La0.03Zr0.52Ti0.48O3。
所述顶电极层6’选用铟锡氧化物(ITO)、锡氟氧化物(FTO)、锌铝氧化物(AZO)中的一种制成，优选ITO。
上述基于光致伸缩复合膜制作的的光驱动器的加工过程：首选利用磁控溅射方法在SrTiO3单晶衬底上生长一定厚度的SrRuO3薄膜，并采用刻蚀技术在其上加工好SRO底电极。再利用磁控溅射法在SRO底电极表面依次掩模生长PZT压电薄膜、SRO中间电极、PLZT铁电光伏薄膜、ITO透明顶电极，制作出具有光致伸缩效应ITO/PLZT/SRO/PZT/SRO/STO光致伸缩复合膜的光驱动器。
Claims (10)
1.一种光致伸缩复合膜，其特征在于：包括：
一衬底层；
一底电极层，生长在衬底层上；
一压电材料层，沉积在底电极层上；
一中间电极层，沉积在压电材料层上；
一光伏材料层，沉积在中间电极层上；
一顶电极层，沉积在光伏材料层上，选用透光的导电材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种光致伸缩复合膜，其特征在于：所述衬底层选用SrTiO3基片、硅基片、铂基片其中一种。
3.根据权利要求1所述的一种光致伸缩复合膜，其特征在于：所述底电极层和中间电极层选用SrRuO3、钙钛矿型LaNiO3其中一种制成；所述顶电极层选用铟锡氧化物(ITO)、锡氟氧化物(FTO)、锌铝氧化物(AZO)中的一种制成。
4.根据权利要求1所述的一种光致伸缩复合膜，其特征在于：所述压电材料层选用Pb(ZrxTi1-x)O3(0<x<1)、钛酸铅(PbTiO3)、钛酸钡(BaTiO3)其中一种制成。
5.根据权利要求1所述的一种光致伸缩复合膜，其特征在于：所述光伏材料层选用Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(0<x<1，0<y<1)，钛酸钡(BaTiO3)、铁酸铋(BiFeO3)铁电材料中的一种制成。
6.基于权利要求1所述的光致伸缩复合膜制作的光驱动器，其特征在于：包括：
一衬底层；
一底电极，生长在衬底层上；
一压电材料层，沉积在底电极上；
一中间电极层，沉积在压电材料层上；
一光伏材料层，沉积在中间电极层上；
一顶电极层，沉积在光伏材料层上，选用透光的导电材料制成；
所述底电极的一端向上延伸分别与压电材料层、光伏材料层和顶电极层连接；所述光伏材料层与底电极层连接的一端向下延伸至压电材料层表面，用于将中间电极层与底电极层隔开。
7.根据权利要求6所述的光驱动器，其特征在于：所述衬底层选用SrTiO3基片、硅基片、铂基片其中一种。
8.根据权利要求6所述的光驱动器，其特征在于：所述底电极和中间电极层选用SrRuO3、钙钛矿型LaNiO3其中一种制成；所述顶电极层选用铟锡氧化物(ITO)、锡氟氧化物(FTO)、锌铝氧化物(AZO)中的一种制成。
9.根据权利要求6所述的光驱动器，其特征在于：所述压电材料层选用Pb(ZrxTi1-x)O3(0<x<1)、钛酸铅(PbTiO3)、钛酸钡(BaTiO3)其中一种制成。
10.根据权利要求6所述的光驱动器，其特征在于：所述光伏材料层选用Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(0<x<1，0<y<1)，钛酸钡(BaTiO3)、铁酸铋(BiFeO3)铁电材料中的一种制成。
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