Гидротермальный рост тонких пленок сегнетоэлектрика (Bi1/2K1/2)TiO3 с ориентацией по оси c на металлических подложках

представить (кого-л. на работу и т.д.)

В последнее время, с быстрым развитием науки и техники, ферроэлектрические тонкие пленки широко используются в различных современных электронных устройствах, включая память с произвольным доступом, оптические переключатели, акселерометры и т.д.. Более того, с быстрым развитием беспроводных сенсорных сетей, пьезоэлектрические сборщики энергии с использованием ферроэлектрических тонких пленок привлекают все большее внимание в качестве источников питания для беспроводных сенсорных узлов. Пьезоэлектрический сборщик энергии преобразует механическую энергию вибрации окружающей среды в электрическую энергию за счет прямого пьезоэлектрического эффекта ферроэлектрической пленки. Поскольку большинство вибраций окружающей среды имеют низкую частоту порядка 10-200 Гц, необходимо настроить частоту резонансного комбайна на такую низкую частоту, сохранив при этом малые размеры устройства. Поэтому ферроэлектрические пленки, сформированные на металлических подложках с низким модулем Юнга, идеально подходят для приложений по сбору энергии.

Недорогие неблагородные металлы, такие как никель, алюминий и медь, легко окисляются при высоких температурах на воздухе. Кроме того, пьезоэлектрические и собирающие энергию свойства ферроэлектрических пленок сильно зависят от ориентации и толщины их кристаллов. Поэтому особенно важно разработать низкотемпературный процесс тонкопленочного выращивания ферроэлектрических пленок, позволяющий контролировать ориентацию кристаллов и толщину пленки. Гидротермальный метод - это низкотемпературный метод синтеза для получения кристаллических материалов из водных растворов, который, как сообщается, используется для осаждения ферроэлектрических оксидов, таких как Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), BaTiO3, BiFeO3 (BF) и (K,Na)NbO3 (KNN), а для ферроэлектрических тонких пленок, выращенных гидротермальным способом на металлических подложках (Morita et al.), - низкотемпературный при 160 °C. Пленки PZT были получены на титановых подложках методом гидротермальной реакции при низкой температуре 160 °C. Сообщалось, что гидротермальный метод позволяет осаждать ориентированные пленки KNN толщиной до 27 мкм на подложки из сплавов на основе никеля [14-16]. Эти предыдущие работы показывают, что гидротермальные методы являются мощной техникой для изготовления ферроэлектрических пленок на недорогих металлических подложках.

Ферроэлектрики на основе PZT считаются наиболее перспективными материалами для приложений сбора энергии благодаря своим превосходным пьезоэлектрическим свойствам. Однако поиск альтернативных бессвинцовых ферроэлектрических материалов становится все более актуальным из-за серьезных опасений по поводу негативного воздействия свинца на окружающую среду. Сообщалось, что висмутсодержащие оксиды халькогенидного типа, такие как BF, проявляют отличные ферроэлектрические свойства благодаря тому, что электронная конфигурация Bi3+ с 6s 2 одиночными парными электронами такая же, как у Pb2+. Недавно наша группа разработала гидротермальный процесс синтеза мелкозернистой и объемной керамики титаната висмута-калия (Bi1/2K1/2).

TiO3 (BKT) является ферроэлектриком с тетрагональной структурой халькогенида. Последующие исследования объемной керамики BKT показали, что BKT обладает хорошими пьезоэлектрическими свойствами для приложений сбора энергии, такими как относительно высокие пьезоэлектрические константы (d33 ~ 95 пК/Н), высокие температуры деполяризации (Td ~ 300 °C) и низкие диэлектрические константы (εr ~ 600). Однако существует мало сообщений о приготовлении и осаждении пленок BKT. На сегодняшний день не разработана технология получения пленок БКТ на металлических подложках.

В этом докладе мы применяем гидротермальный метод для изготовления пленок БКТ на металлических подложках из сплавов на основе никеля. LaNiO3 (LN), проводящий оксид халькогенидного типа, осаждается в качестве буферного слоя на подложку методом золь-гель покрытия, чтобы способствовать гетерогенному зарождению БКТ. Мы показали, что пленки BKT с предпочтительной ориентацией по оси c могут быть выращены на буферных подложках LN методом гидротермальной реакции при низкой температуре 150 °C. В этом методе структура поверхности и толщина пленок BKT могут контролироваться количеством циклов осаждения LN и BKT, соответственно. Также сообщается о диэлектрических и ферроэлектрических свойствах полученных пленок BKT.

 

Приложения

В этой статье мы рассматриваем возможность использования тонких ферроэлектрических пленок, изготовленных на металлических подложках, в пьезоэлектрических вибрационных сборщиках энергии. В данном докладе мы демонстрируем, что плотные тонкие пленки бессвинцового ферроэлектрика (Bi1/2K1/2)TiO3 (BKT) с предпочтительной ориентацией по оси c могут быть выращены на подложках из сплавов на основе никеля с использованием метода гидротермального синтеза. Буферный слой LaNiO3 (LN) формировался на подложке методом золь-гель спин-коутинга, а затем BKT выращивался методом гидротермальной реакции при низкой температуре 150 ℃. Было обнаружено, что структура поверхности и толщина конечных пленок BKT сильно зависят от количества циклов осаждения LN и BKT, соответственно. В результате были получены высоко c-аксиально ориентированные пленки BKT с гладкой поверхностью и толщиной до 830 нм. Хотя предложенные осажденные пленки BKT содержат гидроксильные группы в своей решетке, процесс отжига при 650°C на воздухе оказался эффективным для их удаления, а поляризационный отклик отожженных пленок BKT продемонстрировал преобразование поляризации железного электрода в пленках.

На рис. 10 показана поверхность и структура поперечного сечения пленки, наблюдаемые методом полевой эмиссионной сканирующей электронной микроскопии (FE-SEM) на микроскопе FEI Sirion при ускоряющем напряжении 5 кВ. Средний размер зерна определялся путем измерения длины граней 30 кубических зерен, обнаруженных на FE-SEM изображении поверхности пленки. Определение фазы пленок проводилось методом рентгеновской дифракции (XRD) на дифрактометре Bruker AXS D8-ADVANCE с геометрией 2θ/θ для Cu Kα излучения. Для определения электрических характеристик осажденные пленки отжигали на воздухе при 650°C в течение 10 минут для удаления гидроксильных групп, содержащихся в решетке. Затем на образцы пленок напыляли круглый золотой электрод диаметром 1 мм в качестве верхнего электрода и подложку из инконеля в качестве нижнего электрода. С помощью LCR-метра (ZM2371, NF Corporation). Кривые зависимости поляризации (P) от электрического поля (E) и плотности тока (J) от E были измерены при комнатной температуре путем приложения треугольной волны напряжения с частотой 200 Гц с помощью ферроэлектрической испытательной системы (FCE10-B, TOYO Corp.).

 

источник (информации и т.д.)

Авторы: Масаёси Ямамото1, Рётаро Сакурай, Манабу Хагивара, Шинобу Фуджихара

Учреждение: отделение прикладной химии, факультет науки и технологии, Университет Кейо, 3-14-1Hiyoshi, Kohoku-ku, Yokohama 223-8522, Япония

Опубликовано: Получено 15 апреля 2020 г.; Получено в пересмотренном виде 17 августа 2020 г.; Принято 8 сентября 2020 г.

Ключевые слова: сегнетоэлектрики, рост тонких пленок, гидротермальный метод, металлические подложки, низкотемпературный синтез

Журнал: Тонкие твердые пленки

Сайт источника статьи:Гидротермальное выращивание ориентированных по оси с ферроэлектрических пленок (Bi1/2K1/2)TiO3 на металлических подложках

Сопутствующие товары