CN115101658A - 基于挠曲电极化增强力电耦合机制的pzt基石墨烯复合压感薄膜结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于NEMS微压力敏传感设计领域，具体为基于挠曲电极化增强力电耦合机制的PZT基石墨烯复合压感薄膜结构，包括Si/SiO2基片，Si/SiO2基片上设有背腔，Si/SiO2基片正面溅射有pt/Ti的金属层，pt/Ti的金属层上面溅射有PZT铁电薄膜，PZT铁电薄膜上有石墨烯薄膜，石墨烯薄膜两边溅射有金属电极，Si/SiO2基片背面有封装基板。本发明通过PZT铁电薄膜弯曲产生的极化电压对石墨烯薄膜进行调控，施加偏压给石墨烯薄膜，通过电路的输出电流间接表征石墨烯载流子的输运情况，进而表征石墨烯薄膜能带的变化，完成对PZT挠曲电极化调控石墨烯能带结构及电输运机制的探究，完成对高灵敏度力电耦合PZT基石墨烯复合压感薄膜结构的设计。
Description
技术领域
本发明属于NEMS微压力敏传感设计领域，具体为基于挠曲电极化增强力电耦合机制的PZT基石墨烯复合压感薄膜结构。
背景技术
挠曲电效应在二维材料纳米尺度的研究中日渐突出，韩国国立首尔大学S. Park等利用PFM显微探针对BiFeO3铁电薄膜施加机械压力，结果显示应变梯度下铁电薄膜内部电畴极化翻转，面外电场分布改变，相场模拟表明材料内部的挠曲电场对于该极化调控起到了至关重要的作用；国立首尔大学D. Lee等通过分子束外延生长方式，制备了具有10nm厚的HoMnO3薄膜基底复合界面结构，其应变梯度相较于传统体材料提升了6～7个数量级，内部挠曲电场也得到了显著提升。
基于微纳尺度下铁电薄膜挠曲电增强效应，利用其表面极化电势及电荷积累可实现对表面二维材料的电学性能调控。内布拉斯加大学A. Gruverman制备了LaAlO3/SrTiO3二维薄膜复合悬梁结构，利用PFM探针对该复合悬梁结构进行外力施压，受挠曲电极化效应影响，二维薄膜材料界面处将产生界面极化电极及积累电荷，改变偏置电压下的电导率高阻态和低阻态输出数值，实现基于挠曲电效应的二维薄膜材料力电响应调控。华东师范大学胡志高教授通过压电力显微镜和光激励开尔文探针显微镜，在实验上系统地观测到n型（InSe）和p型（WSe2）二维半导体的挠曲电调控光电响应特性。
鉴于微纳尺度下铁电材料挠曲电效应的显著提升，国内外学者设计制造了多种铁电微纳结构，借助微纳结构挠曲电增强极化电势及积累电荷对器表面薄膜材料，尤其是二维薄膜材料进行电学响应调控是一项很有意义的工作。
发明内容
本发明提出了一种基于挠曲电极化增强力电耦合机制的PZT基石墨烯复合压感薄膜结构，构建了一种在PZT铁电薄膜上基于挠曲电效应的力-电耦合仿真模型。使用COMSOLMultiphysics软件建立仿真模型，通过PZT铁电薄膜应变梯度表征挠曲电效应，研究了挠曲电效应在微纳尺度下的尺寸效应，得出了微纳尺度下基于挠曲电效应的PZT铁电薄膜的力-电耦合效应输出电压的变化规律。并提出了用PZT铁电薄膜的极化电压调控石墨烯薄膜能带进而改变其载流子输运情况的一种方法。最终在这些研究的基础上设计了一种基于挠曲电极化增强力电耦合机制的PZT基石墨烯复合压感薄膜结构。
本发明是采用如下的技术方案实现的：基于挠曲电极化增强力电耦合机制的PZT基石墨烯复合压感薄膜结构，包括Si/SiO2基片，Si/SiO2基片上设有背腔，Si/SiO2基片正面溅射有pt/Ti的金属层，pt/Ti的金属层上面溅射有PZT铁电薄膜，PZT铁电薄膜上有石墨烯薄膜，石墨烯薄膜两边溅射有金属电极，Si/SiO2基片背面有封装基板。
制备工艺包括如下步骤：
1）对Si/SiO2基片进行切割和清洗，得到形状和洁净度均复合要求的硅基底；
2）Si/SiO2基片上溅射pt/Ti的金属层；
3）在步骤2的基础上溅射一定厚度的PZT铁电薄膜；
4）从背面在Si/SiO2基片上刻蚀一个背腔；
5）然后在PZT铁电薄膜上转移石墨烯薄膜；
6）在石墨烯薄膜的两边溅射设定尺寸的金属电极；
7）对基片进行背腔封装。
设计方法具体步骤如下：
（1）建立PZT铁电薄膜基于挠曲电效应的力-电耦合仿真模型：建立纳米铁电薄膜力电耦合仿真模型，用COMSOL Multiphysics 软件进行微米尺寸下力电耦合效应仿真；
（2）探究挠曲电效应与力电耦合尺寸效应：在步骤（1）的基础上对PZT铁电薄膜的厚进行了参数化扫描设置，从而对不同厚度的PZT铁电薄膜的力-电响应进行计算仿真；结果表明在微纳米尺度，随着尺寸的减小力电耦合效应逐渐增大；
（3）探究微纳米尺度下应变梯度诱导极化的挠曲电增强机制：通过应变梯度和应变压电效应随纳米PZT铁电薄膜厚度的变化趋势的分析，在步骤（2）的基础上对微纳尺度下力电耦合效应的变化规律进行探究，并分析应变梯度诱导极化的挠曲电在其中的作用；
（4）探究力-电耦合效应输出电压的变化规律：仿真了不同压力情况下PZT铁电薄膜的输出电势，绘制力—电输出关系图，为铁电薄膜挠曲电极化调控石墨烯能带结构及电输运机制提供必要的数据支撑；
（5）探究PZT铁电薄膜的极化电压调控石墨烯薄膜能带的机制：在上述仿真结果的基础上构建PZT/CVD石墨烯复合结构，通过PZT铁电薄膜弯曲产生的极化电压对石墨烯薄膜进行调控，进而可完成PZT挠曲电极化调控石墨烯能带结构及电输运机制的探究；
（6）设计高灵敏度力电耦合传感器件结构：完成对高灵敏度力电耦合PZT基石墨烯复合压感薄膜结构的设计，制定PZT基石墨烯复合压感薄膜结构的制备工艺，为制备相应的器件做理论准备。
通过PZT铁电薄膜弯曲产生的极化电压对石墨烯薄膜进行调控，施加偏压给石墨烯薄膜，通过电路的输出电流间接表征石墨烯载流子的输运情况，进而表征石墨烯薄膜能带的变化，完成对PZT挠曲电极化调控石墨烯能带结构及电输运机制的探究，完成对高灵敏度力电耦合PZT基石墨烯复合压感薄膜结构的设计。
附图说明
图1为本发明的器件结构示意图。
图2为不同尺度下的应力梯度变化仿真图。
图3为不同厚度下的表面电势变化分布图。
图4 为铁电基外电场调控石墨烯载流子输运示意图。
图5为 PZT基石墨烯复合微压传感器工艺流程图。
图中：1-Si，2-SiO2，3-pt/Ti的金属层，4-PZT铁电薄膜，5-石墨烯薄膜，6-金属电极。
具体实施方式
本发明提出了一种基于挠曲电极化增强力电耦合机制的PZT基石墨烯复合压感薄膜结构，构建了一种在PZT薄膜上基于挠曲电效应的力-电耦合仿真模型。通过构建PZT基力-电耦合仿真模型，系统研究纳米尺度下PZT铁电薄膜外力引发的挠曲度变化及界面电势/电荷演变规律。结合电势演变规律设计了一种PZT基石墨烯微压力敏传感结构用于探究该挠曲极化界面对附着石墨烯能带结构及载流子输运调控机制，为挠曲电电子学在纳米领域高灵敏测试拓展应用提供理论和技术支撑。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
1. PZT基石墨烯挠曲电极化增强高灵敏微压传感器件设计方法具体步骤如下：
（1）建立PZT铁电薄膜基于挠曲电效应的力-电耦合仿真模型
建立纳米PZT铁电薄膜力电耦合仿真模型如图2，使用COMSOL Multiphysics软件的模型向导创建仿真模型。选择二维模块，然后选择软件内置好的多物理耦合的压电模块的稳态分析进行研究。绘制1μm×50nm的矩形PZT铁电薄膜，对其左右两边的面进行固定约束、下表面做接地处理以及上表面加1mbar的均匀载荷，最后进行仿真并输出其应变电压。
（2）探究挠曲电效应与力电耦合尺寸效应
在（1）的基础上对PZT铁电薄膜的厚进行参数化扫描设置（图3），以500nm为步长从50nm-10μm进行仿真。将得到不同厚度的PZT铁电薄膜的应变电压与厚度绘制于二维坐标系，如图3。对坐标曲线进行分析可知力电耦合效应在纳米尺度有明显的增强效果。
（3）探究纳米尺度下应变梯度诱导极化的挠曲电增强机制
探究PZT铁电薄膜挠曲电应变梯度与电极化强度的联系。在（2）的基础上探究微纳尺度下挠曲电效应增强力电耦合效应的机理。在微纳米尺度下挠曲电效应对力电耦合效应的增强作用非常明显。应变梯度用COMSOL Multiphysics 仿真中Z轴方向的变形梯度表征。应变梯度随着厚度的减小明显增大，即挠曲电效应随着尺寸的减小而增大。从应变电压随厚度的变化趋势可以看出，应变电压的变化趋势与应变梯度的变化趋势基本一致。结合力电耦合效应的尺寸效应可知在微纳尺度下挠曲电对力电耦合效应的增强效果非常明显。
（4）探究力-电耦合效应输出电压的变化规律
仿真了不同压力情况下PZT铁电薄膜的输出电势。并绘制力电输出二维坐标图。为PZT铁电薄膜挠曲电极化调控石墨烯能带结构及电输运机制提供必要的数据支撑。其中压力变化范围为1mbar-100mbar，步长为5mbar。
（5）探究PZT薄膜的极化电压调控石墨烯薄膜能带的机制
在上述仿真结果的基础上构建PZT/CVD石墨烯复合结构。通过PZT铁电薄膜弯曲产生的极化电压对石墨烯薄膜进行调控，进而可完成PZT挠曲电极化调控石墨烯能带结构及电输运机制的探究。
分析石墨烯导带、价带、费米能级等对石墨烯载流子输运及电导率的影响关系；
式中，Ef为费米能级、n为表示单位体积内的自由电荷数、I为电流、q为自由电荷的电量、s为导体横截面积、v为自由电荷定向移动的速率。
研究PZT铁电薄膜极化电势对石墨烯能带结构及电输运调控机制。通过PZT铁电薄膜弯曲产生的极化电压对石墨烯薄膜进行调控。施加偏压给石墨烯薄膜，通过电路的输出电流间接表征石墨烯载流子的输运情况。进而表征石墨烯薄膜能带的变化。完成对PZT挠曲电极化调控石墨烯能带结构及电输运机制的探究。
（6）设计高灵敏度力电耦合传感器件结构
完成对高灵敏度力电耦合传感器件结构的设计。初步制定PZT/石墨烯微压传感器制备的工艺流程图，为制备相应的器件做理论准备。
PZT/石墨烯微压传感器制备的工艺包括如下步骤：
1）对Si/SiO2基片进行切割和清洗，得到形状和洁净度均复合要求的硅基底；
2）Si/SiO2基片上溅射满足要求厚度的pt/Ti的金属层3；
3）在步骤2的基础上溅射一定厚度的PZT铁电薄膜4；
4）结合光刻、深硅刻蚀等技术，从背面在Si/SiO2基片上刻蚀一个微米级尺寸的背腔，将硅基底刻透即可；
5）刻蚀好背腔后在Si/SiO2基片的正面转移石墨烯薄膜5；
6）在石墨烯薄膜5的两边溅射设定尺寸的金属电极6；
7）最后对基片用玻璃进行背腔封装，器件的正视图如图e。
Claims (3)
1.基于挠曲电极化增强力电耦合机制的PZT基石墨烯复合压感薄膜结构，其特征在于：包括Si/SiO2基片，Si/SiO2基片上设有背腔，Si/SiO2基片正面溅射有pt/Ti的金属层（3），pt/Ti的金属层上面溅射有PZT铁电薄膜（4），PZT铁电薄膜上有石墨烯薄膜（5），石墨烯薄膜（5）两边溅射有金属电极（6），Si/SiO2基片背面有封装基板。
2.根据权利要求1所述的基于挠曲电极化增强力电耦合机制的PZT基石墨烯复合压感薄膜结构，其特征在于：制备工艺包括如下步骤：
1）对Si/SiO2基片进行切割和清洗，得到形状和洁净度均复合要求的硅基底；
2）Si/SiO2基片上溅射pt/Ti的金属层（3）；
3）在步骤2的基础上溅射一定厚度的PZT铁电薄膜（4）；
4）从背面在Si/SiO2基片上刻蚀一个背腔；
5）然后在PZT铁电薄膜（4）上转移石墨烯薄膜（5）；
6）在石墨烯薄膜（5）的两边溅射设定尺寸的金属电极（6）；
7）对基片进行背腔封装。
3.根据权利要求1或2所述的基于挠曲电极化增强力电耦合机制的PZT基石墨烯复合压感薄膜结构，其特征在于：其设计方法具体步骤如下：
（1）建立PZT铁电薄膜基于挠曲电效应的力-电耦合仿真模型：建立纳米铁电薄膜力电耦合仿真模型，用COMSOL Multiphysics 软件进行微米尺寸下力电耦合效应仿真；
（2）探究挠曲电效应与力电耦合尺寸效应：在步骤（1）的基础上对PZT铁电薄膜（4）的厚进行了参数化扫描设置，从而对不同厚度的PZT铁电薄膜（4）的力-电响应进行计算仿真；结果表明在微纳米尺度，随着尺寸的减小力电耦合效应逐渐增大；
（3）探究微纳米尺度下应变梯度诱导极化的挠曲电增强机制：通过应变梯度和应变压电效应随纳米PZT铁电薄膜厚度的变化趋势的分析，在步骤（2）的基础上对微纳尺度下力电耦合效应的变化规律进行探究，并分析应变梯度诱导极化的挠曲电在其中的作用；
（4）探究力-电耦合效应输出电压的变化规律：仿真了不同压力情况下PZT铁电薄膜（4）的输出电势，绘制力—电输出关系图，为铁电薄膜挠曲电极化调控石墨烯能带结构及电输运机制提供必要的数据支撑；
（5）探究PZT铁电薄膜的极化电压调控石墨烯薄膜能带的机制：在上述仿真结果的基础上构建PZT/CVD石墨烯复合结构，通过PZT铁电薄膜弯曲产生的极化电压对石墨烯薄膜（5）进行调控，进而可完成PZT挠曲电极化调控石墨烯能带结构及电输运机制的探究；
（6）设计高灵敏度力电耦合传感器件结构：完成对高灵敏度力电耦合PZT基石墨烯复合压感薄膜结构的设计，制定PZT基石墨烯复合压感薄膜结构的制备工艺，为制备相应的器件做理论准备。
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