CN109155357A - 透明的压电器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种透明的压电器件(2)，包括透明的基板(4)；透明的压电层(6)；透明的叉指电极层(8)，透明的压电层(6)设置在基板(4)和叉指电极层(8)之间，在基板(4)和压电层(6)之间设置1‑30nm厚的透明的介电层(10)。
Description
技术领域
本发明涉及一种透明的压电器件。本发明还涉及一种制造透明的压电器件的方法。
背景技术
透明的压电器件通常具有金属-绝缘体-金属(MIM)结构。它们包括透明的基板和透明的压电层，所述压电层包括在两个透明的电极层之间，如在公开的专利文献WO/2013164540中所述。然而，这些器件很大且存在高的短路概率。
公开的现有技术专利文献CN105185898公开了一种透明且柔性的压电器件。该器件包括云母层，在该云母层上设置有电极层。电极层是透明的并且由叉指电极组成。然后用由锆钛酸铅(PZT)纳米线组成的压电材料覆盖电极层。该器件还包括两个保护层，它们粘合到电极层的上侧和下侧。然而，该器件是柔性且微型的。叉指电极形成在云母基板上，其然后被薄化。压电层由纳米线组成，纳米线必须与叉指电极结合或混合。此外，压电材料的接触是不均匀的，因为PZT纳米线沉积在电极上和云母基板上。沉积压电层的方法不允许具有均匀的压电层。该器件在PZT纳米线和电极层之间呈现不充分的接触。
发明内容
技术问题
针对技术问题，本发明须提供一种解决现有技术中至少一个缺点的技术方案。更具体地，针对技术问题，本发明须提供一种在透明的基板上的透明的压电器件。本发明还针对技术问题提供了一种时间和成本有效的生产方法。
技术方案
本发明涉及一种透明的压电器件，包括透明的基板、透明的压电层、透明的叉指电极层；其中压电层设置在基板和叉指电极层之间。
根据优选实施例，透明的压电层是均匀沉积层。
根据优选实施例，透明的叉指电极层包括两个共面电极，每个电极具有多个相互交叉的指部。
根据优选实施例，压电层覆盖透明的基板表面的至少10％，优选至少50％，更优选至少70％。
根据优选实施例，透明电极层包括导电透明金属氧化物。
根据优选实施例，该器件还包括在基板和压电层之间的透明的介电层。
根据优选实施例，基板是熔融石英晶片。
根据优选实施例，基板是玻璃基板。
根据优选实施例，压电层具有小于10μm的厚度，优选地大于0.1μm和/或小于2μm。
根据优选实施例，介电层具有1到30nm的厚度，优选地大于1nm和/或小于20nm。
本发明还涉及一种制造透明的压电器件的方法，所述方法包括以下步骤：提供透明的基板；在透明的基板上沉积透明的压电层；在透明的基板上沉积透明的叉指电极层；其中在沉积透明的叉指电极层的步骤之前进行沉积透明的压电层的步骤。
根据优选实施例，该方法还包括在透明的基板上沉积透明的压电层的步骤之前在透明的基板上沉积透明的介电层的步骤。
根据优选实施例，沉积透明的压电层的步骤通过旋涂和溶胶-凝胶方法来进行。
根据优选实施例，沉积透明的叉指电极层的步骤通过原子层沉积和剥离光刻和/或光刻和蚀刻来进行。
根据优选实施例，溶胶-凝胶法包括以下顺序步骤：干燥；热解和结晶。
根据优选实施例，旋涂及干燥和热解的步骤重复3次。
本发明的优点
本发明特别令人感兴趣的是，由于电极在压电层上的共形沉积，该器件在压电层和电极层之间呈现良好的接触。压电层上的电极的共面沉积允许避免短路。该器件的配置还提供了压电材料的良好优化。该方法允许压电层在透明刚性基板上的共形沉积以及在大面积上形成压电器件。该方法还提供了制造透明的压电器件的时间和成本有效的解决方案。
附图说明
图1示出了根据本发明的器件的顶视图。
图2表示根据图1的器件的横截面。
图3示出了根据偏压(V)的器件的电位移(μC/cm2)的演变。
图4示出了根据偏压(V)的电容(pF)和损耗因子tan(δ)的演变。
图5是表示根据本发明的方法的主要步骤的流程图。
具体实施方式
在以下描述中，术语“透明的”用于表示材料或器件透射入射可见光的至少40％，优选至少70％，更优选至少90％。
图1表示根据本发明的压电器件2。器件2包括透明的基板4(图1中不可见)、透明的压电层6和透明的叉指电极层8。压电层6设置在基板4和叉指电极层8之间。透明的压电层6是均匀沉积的压电材料层或连续的压电材料膜。压电层不包含纳米线、纳米棒、纳米球等。压电层优选包括PZT。还可以使用(Pb,La)(Zr,Ti)O3、Pb(Mg,Nb)TiO3-PbTiO3、BiFeO3、(Ba,Ca)(Ti,Zr)O3+、AIN、掺杂Sc的AIN、ZnO、LiNbO3。叉指电极层8可以包括两个共面电极81。两个电极81是相对的电极，每个电极可以包括多个指部82，优选地5到10，更优选地是7，在它们之间交替并间隔开。两个电极81可以具有两个交叉梳的形式。每个指部82具有1到50μm的宽度，优选为10μm。指部82可以彼此间隔开，其间隙或叉指间距在1和50μm的范围内。指部可以具有10到10000μm的长度，优选为50μm。电极的形式不是限制性的，且电极可以具有其他形式。例如，它们可以是半圆形的。通过以下方法，可以看出包括电极的指部的尺寸和数量的器件的尺寸可以变化。
叉指电极层8包括透明金属氧化物。优选地，透明的叉指电极层8包括掺杂Al的ZnO(AZO)。还可以使用氧化铟锡(ITO)、RuO2或IrO3。
压电层6覆盖透明的基板4的表面的至少10％，优选地至少50％，更优选地基板表面的至少70％。
器件2透射入射可见光的至少40％，优选至少70％，更优选90％。器件2可以具有广泛的应用。器件2可以用作传感器、致动器或用于能量收集或其他应用。该器件具有压电致动模式d33，其对应于纵向压电应变系数。
图2是根据图1的器件的剖视图。器件2在底部包括透明的基板4。基板4可以是熔融石英晶片。透明的压电层6位于基板4上方，并设置在基板4和透明的叉指电极层8之间。透明的压电层6具有小于10μm的厚度，优选大于0.1μm和/或小于2μm。透明的叉指电极层8具有20nm到10μm的厚度，优选地100nm到1μm。
器件2还可以包括在基板4和透明的压电层6之间的透明的介电层10。介电层10具有5到30nm的厚度，优选地大于5和/或小于20nm。介电层优选是TiO2层。ZrO2、Al2O3等、HfO2、AIN、PbTiO3、PbZrO3、BiFeO3、PbO、Y2O3、CeO2也可用于形成介电层。器件2还可以包括在透明的电极层上方的保护性透明层。
已经测试了根据本发明的压电器件以控制其性能。更具体地，被测器件包括具有7个指部的2个电极，每个指部具有50μm的长度、10μm的宽度和5μm的间隙或叉指间距。压电层由PZT制成，电极在AZO中，介电层由TiO2制成。压电器件已经受到偏压。结果在图3中表示，其示出了根据偏压(V)的电位移场Ρ(μC/cm2)的图形。偏压(V)表示施加到器件的压电材料的外部电场。图形示出了滞后循环。滞后行为是铁电材料的特征。
图4示出了根据偏压(V)的电容(pF)和介电损耗(tan(δ))的演变。压电器件由于其平面内的配置而具有较小的损耗。
图5是表示制造根据本发明的透明的压电器件的方法的主要步骤的流程图。该方法包括提供透明的基板的步骤100、在透明的基板上沉积透明的压电层的步骤102和在透明的基板上沉积透明的叉指电极层的步骤104。在沉积透明的叉指电极层的步骤104之前进行沉积透明的压电层的步骤102。
该方法还可包括在沉积透明的压电层的步骤之前在透明的基板上沉积透明的介电层的步骤。介电层可以被用作成核或缓冲层，用于压电层的生长。介电层可以通过蒸发20nm的钛然后在700℃下在空气中30分钟的热氧化来进行。
沉积透明的压电层的步骤可以通过旋涂和溶胶凝胶法进行。
通过首先在基板上沉积PZT前体溶液来进行旋涂。然后，基板在20秒内以20rpm顺序旋转，然后在0.5秒内以3600rpm旋转和在30秒内以1800rpm旋转。
在旋涂后，进行溶胶凝胶法。进行第一步骤干燥。干燥步骤包括第一次退火。在130℃下使用热板5分钟。然后进行热解步骤。使用烘箱在空气中在350℃下进行第二次退火5分钟，以破坏金属有机前体并燃烧有机化合物。
旋涂、干燥和热解的步骤重复3次。然后进行结晶步骤。使用烘箱在空气中在700℃下进行退火5分钟以使固溶体结晶。退火也可以用快速热退火工艺进行。
沉积透明的压电层的步骤也可以通过溅射、MOCVD或脉冲激光沉积来进行。
沉积透明的叉指电极层的步骤可以通过透明导电金属的原子层沉积和剥离光刻工艺或通过标准光刻工艺然后蚀刻来执行。更具体地，通过原子层沉积方法沉积的透明导电层包括透明金属氧化物，优选为掺杂Al的ZnO、氧化铟锡(ITO)、RuO2或IrO2。所述材料也可以通过溅射或蒸发而不是原子层沉积方法来沉积。在ITO或AZO的情况下，也可以进行溶胶-凝胶法。
该方法可用于制造根据本发明的透明的压电器件，其有效面积大于1cm2。例如，该方法可用于生产具有100cm2有效面积的器件。
Claims (14)
1.一种透明的压电器件(2)，包括：
-透明的基板(4)；
-透明的压电层(6)；
-透明的叉指电极层(8)；
所述压电层(6)设置在所述基板(4)和叉指电极层(8)之间；
其特征在于，所述器件还包括位于所述基板(4)和压电层(6)之间的透明的介电层(10)，所述介电层(10)具有1到30nm的厚度。
2.根据权利要求1所述的器件(2)，其中，所述透明的压电层(6)是均匀沉积层。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的器件(2)，其中，所述透明的叉指电极层(8)包括两个共面电极(81)，每个电极具有多个相互交叉的指部(82)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的器件(2)，其中，所述压电层(6)覆盖所述透明的基板(4)的表面的至少10％，优选地至少50％，更优选地至少70％。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的器件(2)，其中，所述透明的电极层(8)包括导电透明金属氧化物。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的器件(2)，其中，所述基板(4)是熔融石英晶片或玻璃基板。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的器件(2)，其中，所述压电层(6)具有小于10μm的厚度，优选地大于0.1μm和/或小于2μm。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的器件(2)，其中，所述介电层(10)具有小于20nm的厚度。
9.一种制造透明的压电器件的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供透明的基板(100)；
-在所述透明的基板上沉积透明的压电层(102)；
-在所述透明的基板上沉积透明的叉指电极层(104)；
在沉积透明的叉指电极层的步骤(104)之前进行沉积透明的压电层的步骤(102)；
其特征在于，所述方法还包括在所述透明的基板上沉积透明的压电层的步骤(102)之前在所述透明的基板上沉积透明的介电层的步骤，所述介电层具有1到30nm的厚度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述器件是根据权利要求1至8中任一项所述的器件。
11.根据权利要求9和10中任一项所述的方法，其中，沉积透明的压电层的步骤(102)通过旋涂和溶胶-凝胶方法来进行。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，沉积透明的叉指电极层的步骤(104)通过原子层沉积和剥离光刻和/或光刻和蚀刻来进行。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述溶胶-凝胶方法包括以下顺序步骤：
-干燥；
-热解；和
-结晶。
14.根据权利要求11和13所述的方法，其中，所述旋涂及干燥和热解的步骤重复3次。
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