一种PZT复合薄膜及其制备方法

本技术属于压电薄膜领域，更具体地，涉及一种pzt复合薄膜及其制备方法。

背景技术：

1、mems技术将微机械结构、传感器、执行器与电子电路单片集成，推动了电子设备的小型化与智能化，现已广泛应用于光学成像、超声探测及芯片制冷等领域。其中，压电mems器件因响应快、功耗低、功率密度高且制造成本较低，成为环境感知、精密驱动与能量收集的核心。这类器件的性能高度依赖于压电膜层。锆钛酸铅（简称pzt）是一种钙钛矿结构的铁电压电材料，具有优异的压电性、介电性和热释电性，被广泛用于微机电系统（micro-electro-mechanical system，mems）、压电传感器、能量收集器、超声换能器等器件。压电系数是衡量pzt薄膜将机械能与电能转换能力的关键指标，高压电系数意味着更高的灵敏度和能量转换效率。

2、目前，其主流制备方法主要包括磁控溅射法与溶胶-凝胶法。磁控溅射法虽能获得致密、均匀且附着力佳的薄膜，产业成熟度高，但面临薄膜组分精确控制困难、高温结晶过程易引发界面反应以及铅挥发导致性能劣化等瓶颈；而溶胶-凝胶法虽具组分控制精准、工艺灵活的优点，却在制备较厚薄膜时易因应力累积导致开裂，且存在工艺重复性挑战。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种pzt复合薄膜及其制备方法，旨在解决现有单层或双层pzt薄膜中应力累积严重、极化翻转能垒高、驱动电压与压电输出性能之间的矛盾的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本技术提供了一种pzt复合薄膜，由下至上依次包括：第一应力调控界面层、压电复合层以及第二应力调控界面层；

3、所述压电复合层包括：自下而上依次层叠的第一压电薄膜、第三应力调控界面层以及第二压电薄膜；

4、所述第一应力调控界面层、第二应力调控界面层以及第三应力调控界面层的材料为钌酸锶sro；

5、所述第一压电薄膜和第二压电薄膜为择优（001）取向的pzt薄膜。

6、在一种可选的实现方式中，所述pzt复合薄膜的底部设有第一电极层，顶部设有第二电极层；

7、所述第三应力调控界面层与所述第一电极层被施加第一调控电场时，能够用于对所述第一压电薄膜进行极化；

8、所述第三应力调控界面层与所述第二电极层被施加第二调控电场时，能够用于对所述第二压电薄膜进行极化。

9、在一种可选的实现方式中，所述第一应力调控界面层的厚度为10 nm~100 nm；

10、所述第二应力调控界面层的厚度为10 nm~100 nm；

11、所述第三应力调控界面层的厚度为5 nm~50 nm；

12、所述第一压电薄膜的厚度为500nm~2μm；

13、所述第二压电薄膜的厚度为500nm~2μm；

14、所述第二应力调控界面层与第一应力调控界面层的厚度相同；

15、所述第二压电薄膜与第一压电薄膜的厚度相同。

16、在一种可选的实现方式中，所述第一电极层下方还设置有衬底。

17、第二方面，本技术提供了一种pzt复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：

18、提供衬底；

19、在所述衬底上沉积第一电极层；

20、在所述第一电极层上沉积第一应力调控界面层；

21、在所述第一应力调控界面层上沉积第一压电薄膜；

22、在所述第一压电薄膜上沉积第三应力调控界面层；

23、在所述第三应力调控界面层上沉积第二压电薄膜；

24、在所述第二压电薄膜上沉积第二应力调控界面层；

25、其中，所述第一应力调控界面层、第二应力调控界面层以及第三应力调控界面层的材料为钌酸锶sro；所述第一压电薄膜和第二压电薄膜的材料为pzt薄膜，所述第一应力调控界面层能够诱导第一压电薄膜择优（001）取向。

26、在一种可选的实现方式中，所述第三应力调控界面层与所述第一电极层被施加第一调控电场时，能够用于对所述第一压电薄膜进行极化；所述第三应力调控界面层与所述第二电极层被施加第二调控电场时，能够用于对所述第二压电薄膜进行极化。

27、在一种可选的实现方式中，上述制备方法还包括：

28、在所述第二应力调控界面层上沉积第二电极层。

29、在一种可选的实现方式中，所述第一应力调控界面层、第二应力调控界面层以及第三应力调控界面层的沉积温度为600°c~700°c。

30、在一种可选的实现方式中，在沉积完第二压电薄膜后，控制氧分压为0.5 mpa ~1mpa，以20°c/s ~100°c/s的升温速率将所述pzt复合薄膜加热至600°c~700°c，保温10s ~180s。

31、在一种可选的实现方式中，所述第一应力调控界面层的厚度为10 nm~100 nm；

32、所述第二应力调控界面层的厚度为10 nm~100 nm；

33、所述第三应力调控界面层的厚度为5 nm~50 nm；

34、所述第一压电薄膜的厚度为500nm~2μm；

35、所述第二压电薄膜的厚度为500nm~2μm；

36、所述第二应力调控界面层与第一应力调控界面层的厚度相同；

37、所述第二压电薄膜与第一压电薄膜的厚度相同。

38、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

39、本技术提供一种pzt复合薄膜及其制备方法，通过多层应力调控界面层的协同设计，实现压电性能的突破性提升；本技术在第一电极层与压电复合层之间、两层压电薄膜之间以及压电复合层与第二电极层之间分别设置钌酸锶（sro）应力调控界面层。第一sro层利用其与pzt的晶格失配（晶格参数略小于pzt），在沉积过程中于底层pzt中引入面内双轴压应力，定向诱导非180°铁电畴（尤其是c畴）的垂直取向，并结合其钙钛矿模板作用抑制焦绿石杂相，从而显著增强纵向压电系数。中间sro层通过完整结晶层实现应力解耦，阻断第一层pzt残余应力向第二层pzt传递，同时独立调控其本征应力，在界面处构建应力梯度或反号应力场，诱导第二层pzt形成与第一层互补的畴结构（如a畴）。

40、其中，基于非线性热力学理论，两层pzt间的弹性耦合与静电相互作用协同，使等效压电系数远超单层薄膜的理论极限。顶部sro层平衡底部及中间层引入的不对称应力分布，避免薄膜翘曲，确保上下两层pzt的宏观压电响应方向一致。三层sro结构共同构建了“应力解耦—独立调控—对称平衡”的完整应力管理架构，使压电复合层的径向平均残余应力绝对值稳定控制在60mpa以下，在避免开裂与畴壁钉扎的同时，大幅提升了压电活性与极化稳定性。

41、本技术提供一种pzt复合薄膜及其制备方法，通过中间sro层的多重功能集成，实现极化模式可调与机电耦合效率优化；中间sro层除应力解耦与畴结构调控外，其高导电性使其可作为内部电极，允许两层pzt在电场下独立极化，从而实现同向叠加位移（增强型驱动）或反向弯曲驱动（弯曲型致动器）等多种工作模式。同时，sro较高的弹性模量对相邻pzt层的90°畴壁产生钉扎效应，影响畴在外电场下的翻转动力学，有助于提高极化稳定性并降低疲劳损耗。该层厚度控制在5~50 nm，既确保了层间连续性与应力传递有效性，又避免了过厚引入的界面缺陷和机电耦合效率下降，使两层pzt之间的协同增益达到最优平衡。