프레젠테이션

최근 기술의 급속한 발전으로 강유전 박막은 랜덤 액세스 메모리, 광학 스위치, 가속도계 등 다양한 현대 전자 장치에 널리 사용되고 있습니다. 또한 무선 센서 네트워크의 급속한 발전과 함께 무선 센서 노드의 전원으로 강유전 박막을 사용하는 압전 에너지 하베스터의 사용이 점점 더 주목을 받고 있습니다. 압전 에너지 하베스터는 강유전 박막의 직접적인 압전 효과를 통해 환경 진동의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 대부분의 주변 진동은 약 10~200Hz의 낮은 주파수를 갖기 때문에 공진 하베스터를 이러한 낮은 주파수로 조정하는 동시에 장치 크기를 작게 유지해야 합니다. 따라서 영 계수가 낮은 금속 기판 위에 형성된 강유전체 필름은 에너지 하베스팅 애플리케이션에 이상적입니다.

니켈, 알루미늄, 구리와 같은 저가의 기본 금속은 공기 중의 고온에서 쉽게 산화됩니다. 또한 강유전 박막의 압전 및 에너지 하베스팅 특성은 결정 방향과 두께에 따라 크게 달라집니다. 따라서 결정 방향과 박막 두께를 제어할 수 있는 강유전 박막의 저온 박막 성장 공정을 개발하는 것이 특히 중요합니다. 수열법은 수용액으로부터 결정성 물질을 얻기 위한 저온 합성 기술로, 160°C의 저온에서 금속 기판 위에 수열로 성장한 강유전 박막을 위해 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), BaTiO3, BiFeO3(BF), (K,Na)NbO3(KNN)와 같은 강유전 산화물을 증착하는 것으로 보고되었습니다(Morita et al.). 티타늄 기판 위에 160°C에서 수열 반응을 통해 PZT 필름을 제조했습니다. 열수법은 니켈 기반 합금 기판 위에 최대 27μm 두께의 배향된 KNN 박막을 증착할 수 있는 것으로 보고되었습니다[14-16]. 이러한 이전 연구들은 열수법이 저비용 금속 기판 위에 강유전 박막을 제조하는 강력한 기술임을 보여줍니다.

PZT 기반 강유전체는 우수한 압전 특성으로 인해 에너지 하베스팅 애플리케이션에 가장 유망한 소재로 꼽힙니다. 그러나 납이 환경에 미치는 부정적인 영향에 대한 우려가 커지면서 납이 없는 대체 강유전체 소재를 찾는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 비스무트 함유 칼코게나이드 산화물(BF 등)은 Bi3+의 전자 구성이 Pb2+와 동일한 6s 2 외쌍 전자를 가지고 있어 우수한 강유전 특성을 나타내는 것으로 보고되고 있습니다. 최근 우리 그룹은 비스무트 티타네이트 칼륨(Bi1/2K1/2)의 미세 입자 및 벌크 세라믹을 위한 수열 합성 공정을 개발했습니다.

TiO3(BKT)는 정방정계 칼코게나이드 구조를 가진 강유전체입니다. 벌크 BKT 세라믹에 대한 후속 연구에 따르면 BKT는 상대적으로 높은 압전 상수(d33 ~ 95 pC/N), 높은 탈분극 온도(Td ~ 300°C), 낮은 유전 상수(εr ~ 600) 등 에너지 하베스팅 애플리케이션에 적합한 압전 특성을 가지고 있는 것으로 나타났습니다. 그러나 BKT 필름의 제조 및 증착에 대해서는 거의 보고된 바가 없습니다. 현재까지 금속 기판 위에 BKT 필름을 증착하는 기술은 개발되지 않았습니다.

이 보고서에서는 니켈 기반 합금 금속 기판 위에 BKT 필름을 제조하는 데 수열법을 적용합니다. 전도성 칼코게나이드 산화물인 라니오3(LN)를 솔-젤 코팅으로 기판에 완충층으로 증착하여 BKT의 이질적인 핵 형성을 촉진했습니다. 우리는 150°C의 낮은 온도에서 열수 반응을 통해 바람직한 c축 배향을 갖는 BKT 필름이 LN 완충 기판에서 성장될 수 있음을 보여줍니다. 이 접근법에서 BKT 필름의 표면 구조와 두께는 각각 LN과 BKT의 증착 사이클 수에 의해 제어될 수 있습니다. 결과물인 BKT 필름의 유전체 및 강유전 특성도 보고되었습니다.

애플리케이션

이 논문에서는 압전 진동 에너지 하베스터에 사용하기 위해 금속 기판 위에 제조된 강유전 박막의 적합성에 중점을 둡니다. 이 보고서에서는 수열 합성법을 사용하여 바람직한 c축 배향을 갖는 무연 강유전 (Bi1/2K1/2)TiO3 (BKT) 고밀도 필름을 니켈 기반 합금 기판에서 성장시킬 수 있음을 입증합니다. 졸-겔 스핀 코팅에 의해 기판 상에 라니오3(LN) 완충층을 형성한 후 150°C의 저온에서 열수 반응에 의해 BKT를 성장시켰으며, 최종 BKT 필름의 표면 구조와 두께는 각각 LN과 BKT의 증착 사이클 수에 크게 의존한다는 것을 확인했습니다. 그 결과, 표면이 매끄럽고 두께가 최대 830nm인 고도로 c축 배향된 BKT 필름을 얻을 수 있었습니다. 제안된 증착된 BKT 필름은 격자에 수산기를 포함하고 있지만, 공기 중 650°C에서 어닐링 후 공정에 의해 효과적으로 제거되는 것으로 확인되었으며, 어닐링된 BKT 필름의 분극 반응은 필름에서 철 전기분해 전이를 보여주었습니다.

이미지 10은 5kV의 가속 전압에서 FEI 시리온 현미경을 사용하여 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM)으로 관찰한 필름의 표면 및 단면 구조를 보여줍니다. 평균 입자 크기는 필름 표면의 FE-SEM 이미지에서 발견된 30입방 입자의 가장자리 길이를 측정하여 결정했습니다. 필름의 위상 결정은 2θ/θ 형상의 Cu Kα 방사선을 가진 브루커 AXS D8-ADVANCE 회절계를 사용하여 X-선 회절(XRD) 분석으로 수행되었습니다. 전기적 특성을 분석하기 위해 증착된 필름을 650°C에서 10분간 공기 중에서 후 어닐링하여 필름에 포함된 격자 수산기를 제거했습니다. 그런 다음 필름 샘플에 직경 1mm의 원형 금 전극을 상단 전극으로, 인코넬 기판을 하단 전극으로 스퍼터링했습니다. LCR 미터(ZM2371, NF Inc.)를 사용했습니다. 강유전체 테스트 시스템(FCE10-B, TOYO Corp.)을 사용하여 200Hz의 주파수에서 델타 전압파를 인가하여 상온에서 전기장(E) 대 분극(P) 및 전류 밀도(J) 대 E 곡선을 측정했습니다.

출처

저자: 야마모토 마사요시1, 사쿠라이 료타로, 하기와라 마나부, 후지하라 시노부

기관: 일본 요코하마시 고호쿠구 히요시 3-14-1, 게이오대학교 과학기술학부 응용화학부, 223-8522, 일본

게재: 2020년 4월 15일 접수, 2020년 8월 17일 수정 접수, 2020년 9월 8일 수락

키워드: 강유전체, 박막 성장, 열수법, 금속 기판, 저온 합성

저널: 박막 솔리드 필름

기사 소스 웹사이트.금속 기판에서 c축 배향 강유전체 (Bi1/2K1/2)TiO3 필름의 수열 성장