DE60124529T2

DE60124529T2 - Bleizirkonat-titanat dielektrische filmkomposite auf metallischen folien

Info

Publication number: DE60124529T2
Application number: DE60124529T
Authority: DE
Inventors: Qin Toronto ZOU; G. Ben Mississauga YACOBI; Eugen Harry North York RUDA; Mark Georgetown FARRELL
Original assignee: Energenius Inc
Current assignee: Energenius Inc
Priority date: 2000-03-04
Filing date: 2001-03-01
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2021-03-02
Also published as: EP1282901A2; US6623865B1; CN1419700A; KR20030076927A; WO2001067465A3; EP1282901B1; DE60124529D1; JP2003526880A; AU2001237661A1; WO2001067465A2; TW574422B

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft kristalline dielektrische Dünnfilmstrukturen auf metallischen Folien. Dielektrische Dünnfoliensysteme einer solchen Art lassen sich herstellen, indem PbZr_xTi_yO₂-(PZT)-Dünnfilme unter Anwendung von Sol-Gel-Verfahren auf ausgewählten metallischen Substraten wie Messing-, Platin-, Titan- und rostfreien Stahlfolien aufgetragen werden.
Hintergrund der Erfindung
Blei-Zirkonat-Titanat-(PZT)-Dünnfilme haben als potentiele Materialien für elektronische und optoelektronische Anwendungen wie ferroelektrische Speichersysteme, pyroelektrische Sensorvorrichtungen, Wellenleitermodulatoren und akustische Sensoren ein beachtliches Interesse erweckt. Die meisten PZT-Filme werden derzeit auf einem Siliziumsubstrat mit einer Pt-Bodenelektrode aufgetragen, die den Bereich ihrer möglichen Anwendungen einschränkt. Es sind alternative Strukturen erwünscht, die einen Hochfrequenz-Betriebsbereich, einen geringen dielektrischen Verlust, einen geringen inneren Verlustwiderstand (ESR) und das Potential für eingebettete Kondensatorsysteme erlauben.
In der Literatur wurde über frühere Versuche beim Auftragen von dielektrischen Filmen auf Metallsubstraten berichtet. Zum Beispiel hat Saegusa (Japanese Journal of Applied Physics, Teil 1, Ausgabe 36, Nr. 11; November 1997; Seiten 6888-93) über das Auftragen von nichtkristallinen (glasigen) Filmen aus PbZr_0.5Ti_0.5O₃-(PTZ)-Dünnfilmen auf Aluminium-, Titan- und rostfreien Stahlfolien berichtet. Die erhaltenen Produkte zeigen jedoch nicht die erforderlichen Eigenschaften, die für kommerzielle Anwendungen notwendig sind.
Übersicht der Erfindung
Die Erfindung betrifft mehrschichtige Dünnfilm-Verbundstoffe gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Dünnfilm-Verbundstoffs gemäß Anspruch 10. Solche dielektrischen Dünnfoliensysteme können zum Beispiel hergestellt werden, indem PbZr_xTi_yO₂-(PZT)-Dünnfilme unter Anwendung eines Sol-Gel-Verfahrens auf Messing-, Platin-, Nickellegierungs-, Titan- und rostfreien Stahlfolien aufgetragen werden. Die erfindungsgemäßen kristallinen dielektrischen Filme umfassen Einkristall-, Polykristall- und Nanokristall-Filme, d.h. Filme mit Korngrößen, die vom Nanometerbereich bis zum Zentimeterbereich variieren.
Die kristallinen dielektrischen Dünnfilmstrukturen der Erfindung weisen ausgezeichnete Eigenschaften für Kondensatoren auf, einschließlich einer hohen Dielektrizitätskonstante (ε = 400), eines geringen dielektrischen Verlusts (Verlusttangens < 5%) und eines geringen Leckstroms (unter 5 × 10^–7 A bei 5V). Außerdem weisen die erfindungsgemäßen Dünnfilmstrukturen hohe Frequenzen vor.
Im Folgenden werden verschiedene Dünnfilm-Verbundstoffe und ihre Herstellungsverfahren angegeben, die dazu beitragen, die Erfindung zu verstehen.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind solche gemäß den anliegenden Ansprüchen, die sich zum Beispiel auf kristallisierte dielektrische Schichten aus PZT, die durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt sind, und durch das Vorsehen einer Barriere- und/oder Pufferschicht zwischen der metallischen Folie und den dielektrischen Schichten beziehen. Weitere im Folgenden angegebene Dünnfilm-Verbundstoffe sind nicht Ausführungsformen der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung von verschiedenen Konfigurationen für kristalline dielektrische Dünnfilmstrukturen auf metallischen Folien;
1(a) zeigt eine Struktur, die aus einem kristallinen dielektrischen Dünnfilm gebildet ist, der auf einer metallischen Folie aufgetragen ist;
1(b) zeigt eine Struktur, die aus einem kristallinen dielektrischen Dünnfilm gebildet ist, der auf einer metallischen Folie aufgetragen ist, und die zwischen dem dielektrischen Film und einer metallischen Folie auch eine Barriereschicht aufweist;
1(c) zeigt eine Struktur, die aus einem einzelnen oder aus mehreren verschiedenen kristallinen dielektrischen Dünnfilmen gebildet ist, die auf einer metallischen Folie aufgetragen sind, und die zwischen dem dielektrischen Film und einer metallischen Folie auch verschiedene Barriereschichten aufweist;
1(d) zeigt eine Struktur, die aus einem einzelnen oder aus mehreren verschiedenen kristallinen dielektrischen Dünnfilmen gebildet ist, die auf einer metallischen Folie aufgetragen sind; und die zusätzlich zu den zwischen dem dielektrischen Film und einer metallischen Folie angeordneten Barriereschichten auch eine Pufferschicht aufweist;
1(e) zeigt eine Ausführungsform, die eine verbesserte Oberfläche bietet, wobei ein texturiertes Substrat verwendet wird, das die verschiedenen, für die 1(a) bis 1(d) beschriebenen Kombinationen enthält;
1(f) zeigt eine Ausführungsform, die eine verbesserte Oberfläche bietet, wobei ein porös strukturiertes Substrat verwendet wird, das die verschiedenen, für die 1(a) bis 1(d) beschriebenen Kombinationen enthält;
1(g) zeigt eine Ausführungsform einer parallelen Verbindung von vielen dielektrischen metallischen Foliensystem miteinander;
1(h) zeigt eine Ausführungsform einer Reihenverbindung von vielen dielektrischen metallischen Foliensystemen;
2 ist ein Diagramm der Dielektrizitätskonstante von PZT-Filmen, die auf ausgewählten metallischen Folien gebildet sind, als eine Funktion der Glühtemperatur für ausgewählte metallische Folien; die Dicke des Films beträgt etwa 660 nm, die Elektrodenfläche beträgt etwa 0,5 mm² und die Dielektrizitätskonstante wurde bei 10 kHz bei Raumtemperatur gemessen;
3 ist ein Diagramm der Dielektrizitätskonstante als eine Funktion der Frequenz für ausgewählte metallische Folien, d.h. Titan (Probe T600), rostfreier Stahl (S550) und Messing (B600); die Filme entsprachen den oben dargestellten Filmen und wurden bei Raumtemperatur bei null Vorspannung mit einer Modulationsspannung von 200 mV gemessen;
4 zeigt Strom-Spannungs-Kurven für PZT-Filme auf unterschiedlichen Metallsubstraten; das eingefügte Diagramm zeigt I-V^I/2-Kurven; die Dicke des Films beträgt etwa 600 nm; die Elektrodenfläche beträgt 0,5 mn², wobei die Messungen bei Raumtemperatur durchgeführt wurden;
5(a)–5(c) zeigen Diagramme von Dielektrizitätskonstanten als eine Funktion des elektrischen Feldes für die PZT-Filme auf rostfreiem Stahl (5(a)), Titan (5(b)) und Messing (5(c)), gemessen bei Raumtemperatur und einer Frequenz von 10 kHz;
Beispiele
Ein kristalliner dielektrischer Dünnfilm-Verbundstoff enthält als Substrat eine metallische Folie. Das Metall der Folie sollte einen hohen Schmelzpunkt haben, einen auf das PZT möglichst perfekt abgestimmten Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen, eine geringe Reaktivität mit PZT zeigen und eine gute Adhäsion mit PZT erlauben. Der Schmelzpunkt liegt höchst vorzugsweise bei mindestens 850°C. Bevorzugt enthält der Dünnfilm-Verbundstoff eine oder mehrere Barriereschichten und verschiedene Pufferschichten zusammen mit einem dielektrischen Dünnfilm. In einer bevorzugten Ausführungsform hat das dielektrische Material die Formel PbZr_xTi_yO_z, wobei sowohl x als auch y etwa 0,5 und z etwa 2,5 bis etwa 5 betragen.
Die anorganischen Oxide, die das Dielektrikum bilden, sind mit dem Substrat verbunden. Solche Oxide weisen ein quadratisch pyramidales oder Perowskit-Kristallgitter auf. Die anorganischen Oxide können ferner dielektrische, ferroelektrische und/oder paraelektrische Eigenschaften aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Laminat um eines, bei dem die anorganischen Oxide zwischen zwei Substratschichten angeordnet sind, wobei eine der Substratschichten aus unterschiedlichen Arten von elektrisch leitenden metallischen Folien ausgewählt ist, die einen Schmelzpunkt von mindestens 850°C haben.
Im Allgemeinen sind die aufgetragenen Oxidfilme nur teilweise kristallin. Da die dielektrischen Eigenschaften durch Filmkristallinität verbessert werden, wird nach dem Auftragen häufig eine Wärmebehandlung durchgeführt. Diese kann durch schnelles thermisches Glühen unter Einsatz von Quartz-Halogenlampen, durch lasergestütztes Glühen (wie beispielsweise im Falle des Einsatzes eines Excimerlasers oder eines Kohlendioxidlasers) oder durch Elektronenstrahlglühen erfolgen.
Die dünnen Filme oder Platten der Erfindung können durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden. Dieses Verfahren wird bevorzugt, da es hochreine Film-Verbundstoffe ergibt. Außerdem arbeitet das Sol-Gel-Verfahren mit niedrigen Behandlungstemperaturen. Die Kristallisationstemperaturen liegen normalerweise zwischen 500 und 700°C. Das Auftragen von PZT auf einem metallischen Substrat erfordert eine niedrige Behandlungstemperatur, um eine Interdiffusion und Reaktion zwischen der Folie und dem Dielektrikum zu minimieren. Ferner lässt sich die Komposition durch die Anwendung des Sol-Gel-Verfahrens einfach steuern/kontrollieren.
Das dielektrische Material für die Verwendung bei der Erfindung kann ein Metall der Lanthanid-Reihe enthalten. Vorzugsweise werden entweder La oder Nb verwendet. Geeignete Dielektrika umfassen solche der Fomel Pb_aL_bZr_xTi_yO_z, wobei L ein Lanthanidmetall ist, vorzugsweise La oder Nb, x und y unabhängig zwischen circa 0,35 und circa 0,65 betragen, z circa 2,5 bis circa 5,0, a circa 0,95 bis circa 1,25 und b circa 0,02 bis circa 0,10 beträgt. Solche Dielektrika lassen sich herstellen, indem als Ausgangsmaterialien Bleiacetat [Pb(CH₃COO)₂H₂O)], Zirconium-n-propoxid [Zr(O-nC₃H₇)₄], Titanisopropoxid [Ti(O-iC₃H₇)₄] und Lanthanisopropoxid [La(O-iC₃H₇)₃] oder Niobethoxid [Nb(OC₂H₅)₅] verwendet werden. In einem bevorzugten Verfahren wird das Dielektrikum hergestellt durch Auflösen von Bleiacetat-Trihydrat in 2-Methoxyethanol und durch Dehydrieren der Komposition bei 110°C unter Vakuum, um Bleiacetat zu erhalten. Zirconium-n-propoxid und Titanisopropoxid in 2-Methoxyethanol können dann beigemengt werden, wobei das Raumtemperatur aufweisende Ergebnisprodukt dann bei 110°C unter Vakuum und für eine Dauer von etwa 2 bis 3 Stunden unter Rückfluss erhitzt wird, wodurch Polymer-Vorläufersubstanzen wie zum Beispiel solche mit der Formel Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃ erhalten werden können. Schließlich können die 0,3 M-Stock-Lösungen durch eine Verdünnung mit Toluen und durch die Zugabe von geeignetem Formamid zum Schutz gegen Rissbildung und von 10 mol% Überschuss-Pb für den Verlust von Bleioxid während des abschließenden Glühverfahrens erhalten werden.
Die PZT-Lösung wird unter Anwendung des Rotationsbeschichtungsverfahrens auf verschiedenen Metallfolien wie beispielsweise auf Titanfolie (Dicke d = 0,054 mm, Rauheit Ra = 550 nm); Aluminiumfolie (d = 0,05 mm, Ra = 200 nm); rostfreier Stahlfolie (d = 0,052 mm, Ra = 540 nm); Messingblech (d = 1,2 mm, Ra = 60 nm) oder Nickellegierungsblech (d = 1,5 mm, Ra ≈ 800 nm) aufgetragen. Vor dem Auftrag werden die Substrate zum Beispiel durch die Verwendung von Aceton (in einem Ultraschall-Reiniger) gereinigt, um Öl zu entfernen. Die Rotationsgeschwindigkeit beträgt in der üblichen Weise 2000 U/min für eine Dauer von 30 s. Jeder Schleuderauftrag auf der Schicht wird dann bei 200°C für eine Dauer 5 bis 10 Min. auf der Heizplatte getrocknet. Die Dicke jeder Schicht beträgt etwa 110 nm. Die aufgetragenen Filme können dann bei 450°C für eine Dauer von 20 Min. gebrannt und unter Anwendung des schnellen thermischen Glühens (RTA = rapid thermal annealing) bei 600°C für eine Dauer von 30 Min. kristallisiert werden.
Die Dielektrizitätskonstante der Dünnfilm-Verbundwerkstoffe vorliegender Erfindung kann höher als 400 sein. Um die gewünschten hohen Dielektrizitätskonstanten für die Dünnfilme zu erreichen, wird eine ferroelektrische, dielektrische und/oder paraelektrische Phasentransformation induziert. Das Einsetzen dieser Transformation ist abhängig von der Glühtemperatur. Dadurch wird das Produkt bei einer erhöhten Temperatur bis zur Kristallisation geglüht. Allgemein liegt die Glühtemperatur zwischen etwa 600°C und etwa 800°C. Höhere Glühtemperaturen neigen dazu, die durchschnittlichen Korngrößen in den Filmen zu vergrößern.
Beispiel 1
PZT-Vorläuferzubereitung
Die Ausgangsstoffe für die Herstellung des PZT-Films waren Bleiacetat [Pb(CH₃COO)₂H₂O], Zirconium-n-propoxid [Zr(O-nC₃H₇)₄], Titanisopropoxid [Ti(O-iC₃H₇)₄] und Lanthanisopropoxid [La(O-iC₃H₇)₃] oder Niobethoxid [Nb(OC₂H₅)₅].
Die PZT-Stofflösung wurde grundsätzlich hergestellt durch das Auflösen von Bleiacetat-Trihydrat in 2-Methoxyethanol und durch das Dehydrieren bei 110°C unter Vakuum, um Pb-Acetat zu erhalten. Das Zirconium-n-propoxid und Titanisopropoxid in 2-Methoxyethanol wurden dann bei Raumtemperatur gemischt. Die Zr+Ti-Lösung wurde dem Pb-Acetat beigemischt, welches dann bei 110°C für eine Dauer von zwei bis drei Stunden unter Vakuumumgebung unter Rückfluss erhitzt und schließlich produktdestilliert wurde. Es wurde eine Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃-Polymervorläufersubstanz erhalten. Schließlich wurde eine 0,3 M-Stock-Lösung durch ein Verdünnen mit Toluen und die Zugabe eines geeigneten Formamids für den Schutz gegen Rissbildung und von 10 mol% Überschuss-Pb für den Verlust von Bleioxid während des abschließenden Glühverfahrens erhalten.
Auftrag
Eine PZT-Vorläuferlösung wurde dann unter Anwendung des Rotationsbeschichtungsverfahrens aufgetragen auf:
Titanfolie (Dicke (d) = 0,054 mm, Rauheit (Ra) = 550 nm);
Aluminiumfolie (d = 0,05 mm, Ra = 200 nm);
Nichtrostende Stahlfolie (d = 0,052, Ra = 540 nm);
Messingblech (d = 1,2 mm; Ra = 60 nm);
Nickellegierungsblech (d = 1,5 mm, Ra ≈ 800 nm);
Vor dem Auftrag werden die Substrate vorzugsweise durch Verwendung von Aceton unter Ultraschall gereinigt, um Öl zu entfernen. Die Rotationsgeschwindigkeit betrugt 2000 U/min für eine Dauer von 30 Sekunden. Jeder Schleuderauftrag auf der Schicht wurde bei 200°C für 5 ~ 10 Minuten auf der Heizplatte getrocknet. Die Dicke jeder Schicht betrug etwa 110 nm.
Wärmebehandlung
Die aufgetragenen Filme wurden dann bei 450°C für eine Dauer von 20 Minuten gebrannt und dann unter Anwendung des schnellen thermischen Glühens (RTA) bei 600°C für eine Dauer von 30 Minuten kristallisiert.
Besonders beforzugt sind alle an dem Prozess beteiligen Reaktionsstoffe von höchster Reinheit. Allgemein ist der Reinheitsgrad höher als 90%, vorzugsweise höher als 95% und höchst vorzugsweise höher als 99%. Darüber hianus wird die Durchführung der einzelnen Schritte der Erfindung in einer stickstofffreien Atmosphäre bevorzugt.
Die erhaltenen und getesteten Proben sind in Tabelle 1 aufgelistet.
Tabelle 1
Die Dünnfilm-Verbundstoffe wurden bei Raumtemperatur mit null Vorspannung mit einer Modulationsspannung von 200 mV gemessen. 2 zeigt die Wirkung der Glühtemperatur auf die Dielektrizitätskonstante von PZT-Filmen auf ausgewählten metallischen Foliensubstraten.
Beispiel 2
Es wurden PZT-Vorläufersubstanzen wie in Beispiel 1 angegeben hergestellt. 650 nm dicke PZT-Filme wurden durch Rotationsbeschichtung auf eine Vielfalt von metallischen Folien einschließlich (a) Titanfolie (Dicke d = 0,4 mm, Rauheit Ru = 550 nm), Aluminiumfolie (d = 0,05 mm, Ru 300 nm), rostfreie Stahlfolie (SS) (d = 0,042, Ru = 400 nm), Messingblech (BR) (d = 1,2 mm, Ru = 60 nm) und Nickellegierungsblech (NK) (d = 1,5 mm, Ru ≈ 800 nm) aufgetragen. Evaporierte Au-Topelektroden mit einer Fläche von 5 × 10^–3 cm² wurden zum Messen der dielektrischen Eigenschaften verwendet. Die Messungen von Kapazität-Spannung (C-V), Kapazität-Frequenz (C-f) und Strom-Spannung (I-V) wurden unter Verwendung eines LCR-Messers HP 4275A und eines Picoammeters HP 4140B bei Raumtemperatur durchgeführt. Das Hysterese-Verhalten wurde unter Verwendung eines ferroelektrischen Testsystems des Typs Radiant RT6000S untersucht.
In Tabelle 2 sind die Ergebnisse der an ausgewählten Substraten bei Raumtemperatur durchgeführten Messungen der dielektrischen Eigenschaften zusammengefasst: Tabelle 2
Eine Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) zeigte, dass der PZT-Film auf Ti-Folie eine Ti/TiO_x/PZT-Struktur hatte. Dies ist wahrscheinlich aufgrund der Bildung einer Titandioxid-(TiO_x)-Schicht mit einer relativ niedrigen Dielektrizitätskonstante (ε < 80) zwischen Ti und PZT.
3 zeigt die Dielektrizitätskonstante und den Verlust als eine Funktion der Frequenz. Diese Kondensatorsysteme besitzen ausgezeichnete Frequenzcharakteristiken, wobei die Dielektrizitätskonstante bis zu 1 MHz so gut wie konstant bleibt. Diese Kondensatortypen können potenziell bei Hochfrequenzanwendungen zum Einsatz kommen.
2 zeigt die Dielektrizitätskonstante und den Verlust als eine Funktion der PZT-Glühtemperatur. Bei der PZT/Ti-Folie lag eine optimale Glühtemperatur, bei welcher die höhere Dielektrizitätskonstante und ein niedriger Verlust erreicht wurden, bei etwa 600°C. Über dieser Temperatur nahm die Dielektrizitätskonstante mit einer zunehmenden Glühtemperatur ab. Dies kann der mit der Glühtemperatur zunehmenden Dicke des Titandioxids zugeschrieben werden.
Bei einer Folie aus rostfreiem Stahl nahm die Dielektrizitätskonstante ab, doch der Dielektrizitätsverlust wurde mit der zunehmenden Glühtemperatur im Bereich von 550-700°C sehr viel höher. Dies zeigt eine höhere Konzentration von in den PZT-Film diffundierendem Cr und Ni. Die höhere Glühtemperatur resultiert wahrscheinlich in einer wesentlich tieferen Diffusion von Ni und Cr.
3 zeigt die Strom-Spannungs-Kurven für die Kondensatoren auf der Basis von rostfreiem Stahl (SS600) und Messing (BR600). Die Kondensatoren aus Titan (Ti650) und rostfreiem Stahl (SS600) zeigten den geringsten Leckstrom, 10^–12 A bis 10^–8 A bei bis zu 5V. In der Einfügung in 3 sind diese Daten in einem Standard-Schottky-Diagramm dargestellt, wobei alle Daten log (I/T²) = AV^I/2 folgen, wobei I der Strom, T die Temperatur, V die angelegte Spannung und A eine Konstante ist. Für den Fall des Kondensators Ti650 sind zwei verschiedene Kurven vorhanden. Wahrscheinlich zeigt dieses Verhalten wiederum die Titandioxidschicht zwischen dem PZT und der Ti-Folie.
Die (5a) bis 5(c) zeigen die Dielektrizitätskonstante als eine Funktion des elektrischen Feldes für verschiedene Metallsubstrate bei 10 kHz. Die ε-E-Charakteristiken auf Metallsubstraten aus Titan (5(b)), rostfreiem Stahl (5(a)) und Messing (5(c)) sind ganz unterschiedlich. Bei PZT auf rostfreiem Stahl ist das C-V-Verhalten das eines typischen ferroelektrischen Materials. Die maximale Dielektrizitätskonstante von etwa 150 wurde bei einem Koerzitivfeld von 25 kV/cm erreicht. Die Daten für das Messingsubstrat implizieren, dass an der Grenzfläche zwischen PZT und Messing nach dem Hochtemperaturglühen eine halbleitende Schicht gebildet wurde.
Die Beispiele zeigen die Herstellung von ferroelektrischen PZT-Filmen auf Substraten aus Titan, rostfreiem Stahl, Messing und Nickellegierung unter Anwendung des Sol-Gel-Verfahrens und des Glühens. Die PZT-Filme auf diesen Substraten waren rissfrei und zeigten eine starke Adhäsion ohne jegliche Anzeichen für eine Schichtspaltung. Es wurden Kondensatoren mit einer relativ ho hen Dielektrizitätskonstante (ε = 400), einem niedrigen dielektrischen Verlust (tgδ < 5%), einem niedrigen Leckstrom (I_L < 5 × 10^–8 A bei 5V) und einer hohen Durchschlagfeldstärke erhalten. Exzellente Hochfrequenzeigenschaften wurden im Falle von Kondensatoren auf Substraten aus Titan, rostfreiem Stahl und Messing beobachtet.
Die hierin beschriebenen Elemente, Schritte und Verfahren können hinsichtlich der Beschaffenheit, Zusammensetzung, Funktion und Anordnung in verschiedener Weise modifiziert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Mehrschichtiger Dünnfilm-Verbundstoff, umfassend eine metallische Folie mit einem Schmelzpunkt von mindestens 850°C, wobei die metallische Folie eine durch eine Sol-Gel-Verfahren hergestellte kristallisierte dielektrische Schicht aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Barriere- und/oder Pufferschicht zwischen der metallischen Folie und der dielektrischen Schicht vorgesehen ist.
Mehrschichtiger Dünnfilm-Verbundstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Folie aus einem der Metalle der Gruppe von Titan, Messing, rostfreiem Stahl und Nickellegierung hergestellt ist.
Mehrschichtiger Dünnfilm-Verbundstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das PZT eine Zusammensetzung gemäß der Formel Pb_aL_bZr_xTi_yO_z umfasst, wobei L ein Lanthanidmetall ist, x und y unabhängig ausgewählt sind in einem Bereich von 0,35 bis 0,65, z in einem Bereich von 2,5 bis 5,0 liegt, a in einem Bereich von 0,95 bis 1,25 und b in einem Bereich von 0,02 bis 0,10 liegt.
Mehrschichtiger Dünnfilm-Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lanthanidmetall La oder Nb ist.
Mehrschichtiger Dünnfilm-Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke jeder Schicht etwa 100 nm beträgt.
Mehrschichtiger Dünnfilm-Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrschichtige Dünnfilm-Verbundstoff eine verbesserte Oberfläche hat, die durch ein texturiertes Substrat und/oder ein porös strukturiertes Substrat gebildet ist.
Dielektrisches metallisches Foliensystem, umfassend zumindest zwei mehrschichtige Dünnfilm-Verbundstoffe nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Dielektrisches metallisches Foliensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrschichtigen Dünnfilm-Verbundstoffe in Reihe miteinander verbunden sind.
Dielektrisches metallisches Foliensystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrschichtigen Dünnfilm-Verbundstoffe parallel miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Dünnfilm-Verbundstoffes gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – das Bereitstellen einer metallischen Folie mit einem hohen Schmelzpunkt von mindestens 850°C, – das Vorsehen einer Barriere- und/oder Pufferschicht zwischen den metallischen Folien und der dielektrischen Schicht, – das Auftragen einer Stock-Lösung auf die metallische Folie durch ein Sol-Gel-Verfahren, um eine PZT-Schicht zu erzeugen, – das Trocknen der PZT-Schicht und – die Wärmebehandlung der PZT-Schicht in einer stickstofffreien Atmosphäre, um eine Kristallisation bei einer Temperatur in einem Bereich von 500°C bis 700°C zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Folie vor dem Auftragen der Stofflösung auf derselben gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Trocknens bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 200°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Trocknens für eine Dauer von 5 bis 10 Minuten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Wärmebehandlung den Schritt des Brennens der PZT-Schicht bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 450°C umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Brennens der PZT-Schicht für eine Dauer von etwa 20 Minuten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Wärmebehandlung den Schritt des Glühens der PZT-Schicht bei einer Temperatur in einem Bereich von 600° bis 800°C umfasst.