一种高透光率铁酸铋压电膜材料及其制备方法与应用

本发明涉及电子材料开发和薄膜材料制备，尤其涉及一种高透光率铁酸铋压电膜材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、随着虚拟现实、智能交互等技术的快速发展，透明压电器件在触觉反馈、柔性显示、智能窗等领域的应用需求日益增长。玻璃凭借低成本、可大面积制备及与现有显示产线适配等优势，被视为透明压电器件的理想衬底材料。

3、目前，透明压电薄膜领域主要采用锆钛酸铅基压电材料，该类材料虽然具有优异的介电与压电性能，但其含铅特性带来显著的环境与健康隐患，不符合绿色电子器件的发展方向。更为关键的是，锆钛酸铅等压电薄膜的结晶通常需要650~750°c的高温处理，而普通商用玻璃的应变点多低于600°c，高温过程易引发玻璃衬底形变翘曲，严重制约器件可靠性与制备良率。铁酸铋作为典型的无铅多铁性材料，凭借其高居里温度（~830 °c）和理论极化强度（~100 μc/cm2），在压电器件领域展现出应用潜力。然而，将铁酸铋薄膜用于透明压电器件仍面临诸多制约：一方面，现有技术中铁酸铋薄膜的结晶温度仍然较高，与玻璃衬底工艺兼容性差；另一方面，为抑制铁酸铋薄膜漏电流并提升其结晶质量，通常需要引入较厚的缓冲层，而缓冲层会显著降低器件整体透光率。此外，现有研究多聚焦于薄膜初始压电系数等静态参数的表征，对压电薄膜在长期循环服役条件下的疲劳特性、压电稳定性等动态性能指标关注不足。

4、因此，开发一种工艺温度温和、兼具高透光率与优异压电性能、且具备长期服役稳定性的无铅透明压电薄膜材料，对于推动透明压电器件的实际应用具有重要意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种高透光率铁酸铋压电膜材料及其制备方法与应用。

2、第一方面，本发明提供了一种高透光率铁酸铋压电膜材料，包括基体、底电极、籽晶层、介电层和压电膜；所述基体为透明玻璃，所述底电极为氟掺杂氧化锡透明导电氧化物，所述籽晶层为钌酸锶薄膜，所述介电层为锆钛酸锶钡薄膜，所述压电膜为铁酸铋薄膜。

3、优选的，所述基体的厚度为0.5～1.5 mm；氟掺杂氧化锡透明导电氧化物层厚度为350～450 nm；钌酸锶薄膜层厚度为10～30 nm；锆钛酸锶钡薄膜层厚度为10～30 nm；铁酸铋薄膜层厚度为0.3～1.5 μm。

4、优选的，所述铁酸铋压电膜材料的极化强度达86 μc/cm2、横向压电系数达到2.51c/m2；在可见光波长范围内的透光率最高可达71%。

5、第二方面，本发明提供了上述的高透光率铁酸铋压电膜材料的制备方法，包括以下步骤：

6、（1）以附有氟掺杂氧化锡透明导电层的玻璃为衬底，将衬底升温；

7、（2）以钌酸锶陶瓷作为溅射靶材，采用射频磁控溅射工艺，于步骤（1）中的衬底表面沉积钌酸锶籽晶层；

8、（3）以锆钛酸锶钡陶瓷作为溅射靶材，采用射频磁控溅射工艺，于步骤（2）中的钌酸锶籽晶层表面沉积锆钛酸锶钡介电层；

9、（4）以铁酸铋陶瓷作为溅射靶材，采用射频磁控溅射工艺，于步骤（3）中的锆钛酸锶钡介电层表面沉积铁酸铋压电膜层。

10、优选的，步骤（1）中，将衬底放入磁控溅射腔室中，抽真空至腔室气压低于2× 10-4pa；通入氩气，氩气流量为30～60 sccm，升温气压为1～3 pa；升温至350~ 580℃，升温速率为5~10℃ /min。

11、优选的，步骤（2）中，所述钌酸锶籽晶层的射频磁控沉积工艺条件为：沉积气氛为氩气和氧气的混合气体，氩气流量为40～80 sccm，氧气流量为10～20 sccm, 沉积气压为1～1.5 pa, 沉积功率为60～150 w，沉积时间为1-3min，沉积温度为400℃ ~ 550℃。

12、优选的，步骤（3）中，所述锆钛酸锶钡介电层的射频磁控沉积工艺条件为：沉积气氛为氩气和氧气的混合气体，氩气流量为40～80 sccm，氧气流量为10～20 sccm, 沉积气压为1～1.5 pa, 沉积功率为60～150 w，沉积时间为1-3min，沉积温度为400℃ ~ 550℃。

13、优选的，步骤（4）中，铁酸铋陶瓷中， bi元素与fe元素的摩尔比为1 .05～ 1 .1；所述铁酸铋薄膜的射频磁控沉积工艺条件：沉积气氛为氩气和氧气的混合气体，氩气流量为40～80 sccm，氧气流量为10～20 sccm, 沉积气压为0.2～1.5 pa, 沉积功率为60～150w，沉积时间为1~4 h，沉积温度为350℃ ~ 580℃。

14、优选的，步骤（4）中，磁控溅射铁酸铋薄膜之后，冷却至室温；

15、冷却处理的条件为：冷却气氛为氧气，流量为10～50 sccm，气压为1.0～10 pa，冷却速率为3~10 ℃/min。

16、第三方面，本发明提供了上述的高透光率铁酸铋压电膜材料或上述的制备方法制备的高透光率铁酸铋压电膜材料在透明压电微器件中的应用。

17、与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

18、（1）本发明选用带有掺氟氧化锡（fto）透明导电层的玻璃作为衬底，并在fto导电层与铁酸铋压电膜之间依次引入超薄钌酸锶（sro）籽晶层和极薄bszt介电过渡层。其中，sro籽晶层可优化fto导电层与铁酸铋压电膜之间的界面适配性，显著降低铁酸铋膜的结晶温度，从而有效避免高温工艺导致的fto导电玻璃翘曲形变及导电层电导率衰减问题；而bszt过渡介电层可缓解界面晶格失配应力，阻断界面元素互扩散，降低薄膜漏电流，从而提升体系的压电响应与耐压稳定性。

19、（2）本发明采用sro籽晶层与bszt介电层均为超薄设计，单层厚度仅为10~30 nm，两层总厚度约20~60 nm，远小于可见光波长，光在通过时几乎不发生吸收和散射损耗。在实现籽晶诱导和界面优化的前提下，最终制得的铁酸铋压电膜材料透光率最高可达71%，克服了传统较厚缓冲层严重劣化透光度的弊端。

20、（3）本发明制备铁酸铋压电膜的工艺温度优选为425 ℃，无需高温后退火工序。一方面，有效规避了高温处理造成的玻璃衬底发生形变翘曲，提升了压电器件的制备良率与可靠性；另一方面，相较于传统铅基压电薄膜的650~750 ℃的高温热处理工艺，本方案显著降低了热处理能耗，具备产业化推广的潜力。同时，该中低温处理工艺有效抑制了铁酸铋压电膜中铋元素的高温挥发，避免因组分缺失而产生杂相，从而保障薄膜维持优良的压电性能。

21、（4）本发明制得的铁酸铋压电膜材料极化强度达86 μc/cm2、横向压电系数达2.51c/m2；在长期电脉冲循环驱动下，经109次极化翻转后极化强度衰减率低于3.5%，经1600 s长时间的静置过程中，极化保持率高达90%，经1200万次往复驱动后横向压电系数和悬臂梁尖端位移变化量均低于4.2%，兼具优异的压电性能和长期服役稳定性。

22、（5）本发明所用钌酸锶、锆钛酸锶钡、铁酸铋等陶瓷靶材以及掺氟氧化锡透明导电玻璃等原材料均为市售产品，来源广泛、成本低廉，与现有硅基或各种单晶氧化物基片相比具有突出的成本优势，具备优良的产业化潜力。而且，本发明提供的铁酸铋压电材料体系不含铅等有毒重金属元素，具备良好的生物安全性与环境友好特性。

23、（6）本发明采用射频磁控溅射技术制备铁酸铋压电薄膜，该技术适合大面积、大尺寸、高致密均匀薄膜的制备，可满足大尺寸透明压电触觉显示面板及智能交互传感等产品的制备需求。