钛酸铋钠基无铅压电薄膜的制备文献综述

 2021-10-22 09:10

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1 前言

铁电-反铁电材料能够有效实现电能与机械能之间的变换，在人们的日常生活中用途广泛，多应用于电容器、滤波器、传感器、致动器、驱动器、微位移器等领域。与块体材料相比，薄膜材料应其质轻、体积小、集成度高和工作电压较低等优点，这样的优势更有利于其与集成电路相结合。其中，铅基铁电体热释电薄膜材料作为一种新型的功能性材料得到广泛应用，但高温制备这类材料时，会造成铅严重地挥发。这种现象不仅对材料本身的性能造成损失，而且在材料的制备和应用的过程中对环境也会造成严重的损害。因此，近年来开发无铅铁电-反铁电材料成为大势所趋，Bi0.5Na0.5TiO3由于其良好的铁电性能成为人们的主要研究对象[1]。

2 研究进展

铁电薄膜即为厚度在数十纳米至数微米之间的具有铁电性的薄膜材料。与块状材料相比，薄膜材料体积小，质量轻，而且具有优异的电极化效应、热释电效应、解电系数等性质。随着铁电薄膜的发展，目前铁电薄膜技术已与微电子技术相结合，并开发出一系列新型功能材料。

1880年，约居里和皮居里首先发现了样品在外力作用下会产生电极化效应[2]。但由于当时的铁电晶体未经处理，电极化方向杂乱无章，相互抵消之下导致净电极化为零。因此铁电材料一直没有被人们发现。1920年，法国人valasek[3]发现了罗谢尔盐特异的介电性能，揭开了铁电材料的面纱。接着到1950年左右，人们开始研究铁电薄膜材料，但受制于制备技术的限制，研究进展一直很慢。直到1980年左右，薄膜制备技术得到了发展，一系列物理及化学方法如溅射镀膜法，气相沉积法，金属化合物热分解法，溶胶-凝胶法，自组装法都可用于制备铁电薄膜，因此铁电薄膜材料得到了飞速发展。

制备薄膜的方法有很多，都可以制备出性能较好的BNT薄膜，其中溶胶凝胶法较为常见。T. Yu et al[4].采用溶胶凝胶法旋涂制备了Bi0.5Na0.5TiO3无铅铁电薄膜，衬底是Pt/Ti/SiO2/Si，研究表明在氧气氛围中650oC逐层退火有利于提高薄膜的结晶度，薄膜表现出菱形钙钛矿结构，致密且有较好的电性能。在100 kHz下介电常数为277，介电损耗为0.02。1000 kV/cm交流电场Pr = 8.3 μC/cm2， Ec = 200 kV/cm。

Z．H．Zhou et al.[5]采用射频磁控溅射法制备BNT薄膜，晶粒尺寸在100 nm，并且测得良好的电滞回线，Pr = 11.9 μC/cm2，Ec = 37.9 kV/cm。薄膜的介电常数随着频率的的增加(10-105 Hz)而降低(650-470)。同时研究还发现晶界处氧空位的变化是造成低频下高介电损耗以及高直流电导率的原因。

Tang et al.[6]采用溶胶凝胶法在Pt/Ti/SiO2/Si基底上制备了高(111)取向的BNT薄膜。650C退火10 min，晶粒尺寸大约为200 nm。Au/BNT/Pt薄膜电容器在200 kV/cm的电场下Pr为20.9 μC/cm2，Ec = 112 kV/cm，100 kHz下介电常数和介电损耗为171和0.024。漏电流与电压极性相关。当Pt负偏置时，在0-167 kV/cm电场中，BNT/Pt界面表现为肖特基接触，Au/BNT界面为欧姆接触。当Au负偏置时，传导电流受空间电荷限制。

Spela Kunej et al.[7]采用sol-gel法在刚玉和Pt/Ti/SiO2/Si基底制备了70 mol% BNT 30 mol% NaTaO3薄膜，实验表明退火温度对薄膜的形貌和电性能有很大影响，并且不同基底上薄膜的晶粒发育不同。

Cui et al.[8]以水基溶胶凝胶法在Pt(111)/Ti/SiO2/Si基底上制得了(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5TiO3(NKBT)薄膜，该薄膜为纯钙钛矿结构，退火温度700oC 下获得较好的性能，在1200 kV/cm下Pr为8.3 μC/cm2。100 kHz下测得的介电常数和介电损耗为519以及0.058。压电常数d33为76 pm/V。

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