Presentación

Recientemente, con el rápido desarrollo de la tecnología, las láminas delgadas ferroeléctricas se utilizan ampliamente en diversos dispositivos electrónicos modernos, como memorias de acceso aleatorio, interruptores ópticos, acelerómetros, etc. . Y, con el rápido desarrollo de las redes de sensores inalámbricos, el uso de captadores de energía piezoeléctricos con láminas delgadas ferroeléctricas como fuente de energía para nodos de sensores inalámbricos ha atraído cada vez más atención. Los captadores de energía piezoeléctricos convierten la energía mecánica de las vibraciones ambientales en energía eléctrica mediante el efecto piezoeléctrico directo de las películas ferroeléctricas. Dado que la mayoría de las vibraciones ambientales tienen una frecuencia baja, de unos 10-200 Hz, es necesario ajustar el cosechador resonante a una frecuencia tan baja manteniendo al mismo tiempo el tamaño del dispositivo en un nivel reducido. Por lo tanto, las películas ferroeléctricas formadas sobre sustratos metálicos con bajo módulo de Young son ideales para aplicaciones de captación de energía.

Los metales básicos de bajo coste, como el níquel, el aluminio y el cobre, se oxidan fácilmente a altas temperaturas en el aire. Además, las propiedades piezoeléctricas y de captación de energía de las láminas finas ferroeléctricas dependen en gran medida de la orientación y el grosor del cristal. Por lo tanto, es especialmente importante desarrollar un proceso de crecimiento de películas ferroeléctricas a baja temperatura que permita controlar la orientación del cristal y el grosor de la película. Los métodos hidrotermales son una técnica de síntesis a baja temperatura para obtener materiales cristalinos a partir de soluciones acuosas y se han descrito para la deposición de óxidos ferroeléctricos como Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), BaTiO3, BiFeO3 (BF) y (K,Na)NbO3 (KNN), para películas delgadas ferroeléctricas cultivadas hidrotermalmente sobre sustratos metálicos, (Morita et al.), a una temperatura baja de 160 °C. Se fabricaron películas de PZT sobre sustratos de titanio mediante reacción hidrotermal a 160 °C. Se ha reportado que el método hidrotermal es capaz de depositar películas gruesas de KNN orientado de hasta 27 μm de espesor sobre sustratos de aleaciones basadas en níquel [14-16]. Estos trabajos previos demuestran que los métodos hidrotérmicos son una técnica potente para fabricar películas delgadas ferroeléctricas sobre sustratos metálicos de bajo coste.

Los ferroeléctricos basados en PZT se consideran los materiales más prometedores para aplicaciones de captación de energía debido a sus excelentes propiedades piezoeléctricas. Sin embargo, la búsqueda de materiales ferroeléctricos alternativos sin plomo es cada vez más importante debido a la gran preocupación que suscita el impacto medioambiental negativo del plomo. Se ha informado de que los óxidos de calcogenuro que contienen bismuto, como el BF, presentan excelentes propiedades ferroeléctricas debido a la configuración electrónica del Bi3+ con 6s 2 electrones de par solitario, que es la misma que la del Pb2+. Recientemente, nuestro grupo ha desarrollado un proceso de síntesis hidrotermal de partículas finas y cerámicas a granel de titanato de bismuto potásico (Bi1/2K1/2).

El TiO3 (BKT) es un cuerpo ferroeléctrico con estructura de calcogenuro tetragonal. Estudios posteriores de cerámicas BKT a granel han demostrado que el BKT tiene buenas propiedades piezoeléctricas para aplicaciones de captación de energía, como constantes piezoeléctricas relativamente altas (d33 ~ 95 pC/N), altas temperaturas de despolarización (Td ~ 300 °C) y constantes dieléctricas bajas (εr ~ 600). Sin embargo, se ha informado muy poco sobre la preparación y deposición de películas de BKT. Hasta la fecha, no se ha desarrollado ninguna tecnología para películas BKT sobre sustratos metálicos.

En este informe aplicamos el método hidrotérmico a la fabricación de películas de BKT sobre sustratos metálicos de aleación basados en níquel. LaNiO3 (LN), un óxido calcogenuro conductor, se depositó como capa tampón sobre el sustrato mediante recubrimiento sol-gel para promover la nucleación heterogénea de BKT. Demostramos que las películas de BKT con una orientación preferente en el eje c pueden crecer sobre sustratos tampón de LN mediante reacciones hidrotermales a temperaturas tan bajas como 150 °C. En esta aproximación, la estructura superficial y el espesor de las películas de BKT pueden controlarse mediante el número de ciclos de deposición de LN y BKT, respectivamente. También se presentan las propiedades dieléctricas y ferroeléctricas de las películas de BKT resultantes.

Aplicaciones

En este artículo nos centramos en la idoneidad de las láminas delgadas ferroeléctricas fabricadas sobre sustratos metálicos para su uso en captadores de energía por vibración piezoeléctrica. En este informe, demostramos que las películas densas ferroeléctricas sin plomo (Bi1/2K1/2)TiO3 (BKT) con una orientación preferente en el eje c pueden crecer sobre sustratos de aleación con base de níquel utilizando un método de síntesis hidrotermal. Se formó una capa tampón de LaNiO3 (LN) sobre el sustrato mediante recubrimiento sol-gel y, a continuación, se cultivó BKT mediante reacción hidrotérmica a una temperatura baja de 150 °C. Se observó que la estructura superficial y el espesor de las películas finales de BKT dependen en gran medida del número de ciclos de deposición de LN y BKT, respectivamente. Como resultado, se obtuvieron películas de BKT altamente orientadas en el eje c con superficies lisas y espesores de hasta 830 nm. Aunque las películas de BKT depositadas contenían grupos hidroxilo en su red, se eliminaron eficazmente mediante un proceso de recocido posterior a 650°C en aire, y la respuesta de polarización de las películas de BKT recocidas demostró una transición de electrólisis de hierro en las películas.

La imagen 10 muestra la superficie y la estructura transversal de la película observadas mediante microscopía electrónica de barrido por emisión de campo (FE-SEM) utilizando un microscopio FEI Sirion a una tensión de aceleración de 5 kV. El tamaño medio de grano se determinó midiendo las longitudes de los bordes de los 30 granos cúbicos encontrados en las imágenes FE-SEM de la superficie de la película. La determinación de fase de las películas se llevó a cabo mediante análisis de difracción de rayos X (DRX) utilizando un difractómetro Bruker AXS D8-ADVANCE con geometría 2θ/θ de radiación Cu Kα. Para la caracterización eléctrica, las películas depositadas fueron post recocidas en aire a 650°C durante 10 minutos para eliminar los grupos hidroxilo reticulares contenidos en las películas. A continuación, se pulverizó un electrodo circular de oro de 1 mm de diámetro sobre la muestra de película como electrodo superior y un sustrato de Inconel como electrodo inferior. Utilizando un medidor LCR (ZM2371, NF Inc.). Las curvas de polarización (P) frente al campo eléctrico (E) y de densidad de corriente (J) frente a E se midieron a temperatura ambiente aplicando una onda de tensión delta a una frecuencia de 200 Hz utilizando un sistema de ensayo ferroeléctrico (FCE10-B, TOYO Corp.).

Fuente

Autores: Masayoshi Yamamoto1, Ryotaro Sakurai, Manabu Hagiwara, Shinobu Fujihara

Institución: Departamento de Química Aplicada, Facultad de Ciencia y Tecnología, Universidad de Keio, 3-14-1Hiyoshi, Kohoku-ku, Yokohama 223-8522, Japón.

Publicado: Recibido el 15 de abril de 2020; Recibido en forma revisada el 17 de agosto de 2020; Aceptado el 8 de septiembre de 2020.

Palabras clave: ferroeléctricos, crecimiento de láminas delgadas, método hidrotérmico, sustratos metálicos, síntesis a baja temperatura

Revista: Thin SolidFilms

Sitio web fuente del artículo.Crecimiento hidrotermal de películas ferroeléctricas (Bi1/2K1/2)TiO3 orientadas en el eje c sobre sustratos metálicos