présenter (qqn pour un emploi, etc.)

Récemment, avec le développement rapide de la science et de la technologie, les couches minces ferroélectriques sont largement utilisées dans une variété de dispositifs électroniques modernes, y compris la mémoire vive, les commutateurs optiques, les accéléromètres, etc. En outre, avec le développement rapide des réseaux de capteurs sans fil, les collecteurs d'énergie piézoélectrique utilisant des couches minces ferroélectriques ont attiré de plus en plus d'attention en tant que sources d'énergie pour les nœuds de capteurs sans fil. Le capteur d'énergie piézoélectrique convertit l'énergie mécanique des vibrations environnementales en énergie électrique grâce à l'effet piézoélectrique direct du film ferroélectrique. Étant donné que la plupart des vibrations environnementales ont une basse fréquence d'environ 10-200 Hz, il est nécessaire d'accorder la fréquence du capteur résonant à une fréquence aussi basse tout en maintenant la taille du dispositif à un niveau réduit. Les films ferroélectriques formés sur des substrats métalliques à faible module d'Young sont donc idéaux pour les applications de collecte d'énergie.

Les métaux de base bon marché, tels que le nickel, l'aluminium et le cuivre, s'oxydent facilement à haute température dans l'air. En outre, les propriétés piézoélectriques et de collecte d'énergie des films ferroélectriques dépendent fortement de l'orientation et de l'épaisseur de leurs cristaux. Il est donc particulièrement important de développer un processus de croissance à basse température pour les films ferroélectriques qui puisse contrôler l'orientation des cristaux et l'épaisseur du film. La méthode hydrothermique est une technique de synthèse à basse température permettant d'obtenir des matériaux cristallins à partir de solutions aqueuses, qui a été utilisée pour le dépôt d'oxydes ferroélectriques, tels que le Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), le BaTiO3, le BiFeO3 (BF) et le (K,Na)NbO3 (KNN), et, pour les films minces ferroélectriques obtenus par croissance hydrothermique sur des substrats métalliques, (Morita et al.), un procédé de croissance à basse température à 160 °C a été mis au point pour les films PZT. Des films PZT ont été fabriqués sur des substrats en titane par réaction hydrothermale à une basse température de 160 °C. La méthode hydrothermique a été signalée comme étant capable de déposer des films épais KNN orientés d'une épaisseur allant jusqu'à 27 μm sur des substrats d'alliage à base de nickel [14-16]. Ces travaux antérieurs montrent que les méthodes hydrothermales sont une technique puissante pour fabriquer des films ferroélectriques sur des substrats métalliques peu coûteux.

Les ferroélectriques à base de PZT sont considérés comme les matériaux les plus prometteurs pour les applications de collecte d'énergie en raison de leurs excellentes propriétés piézoélectriques. Cependant, la recherche de matériaux ferroélectriques alternatifs sans plomb est devenue de plus en plus importante en raison des fortes préoccupations concernant l'impact négatif du plomb sur l'environnement. Les oxydes de type chalcogénure contenant du bismuth, tels que le BF, présentent d'excellentes propriétés ferroélectriques car la configuration électronique de Bi3+ avec 6s 2 paires d'électrons solitaires est la même que celle de Pb2+. Notre groupe a récemment mis au point un processus de synthèse hydrothermique pour les céramiques à grains fins et en vrac de titanate de bismuth et de potassium (Bi1/2K1/2).

Le TiO3 (BKT) est un ferroélectrique avec une structure de chalcogénure tétragonale. Des études ultérieures sur les céramiques BKT en vrac ont montré que le BKT possède de bonnes propriétés piézoélectriques pour les applications de collecte d'énergie, telles que des constantes piézoélectriques relativement élevées (d33 ~ 95 pC/N), des températures de dépolarisation élevées (Td ~ 300 °C) et de faibles constantes diélectriques (εr ~ 600). Cependant, il existe peu de rapports sur la préparation et le dépôt de films BKT. À ce jour, aucune technologie n'a été développée pour les films BKT sur des substrats métalliques.

Dans ce rapport, nous appliquons une méthode hydrothermique à la fabrication de films BKT sur des substrats métalliques en alliage à base de nickel. LaNiO3 (LN), un oxyde conducteur de type chalcogénure, est déposé comme couche tampon sur le substrat par revêtement sol-gel pour favoriser la nucléation hétérogène des BKT. Nous montrons qu'il est possible de faire croître des films de BKT avec une orientation préférentielle de l'axe c sur des substrats tampons de LN par réaction hydrothermale à une basse température de 150 °C. Dans cette méthode, la structure de la surface et l'épaisseur des films de BKT peuvent être contrôlées par le nombre de cycles de dépôt pour le LN et le BKT, respectivement. Les propriétés diélectriques et ferroélectriques des films de BKT obtenus sont également rapportées.

Applications

Dans cet article, nous nous concentrons sur l'adéquation des films minces ferroélectriques fabriqués sur des substrats métalliques pour les capteurs d'énergie vibratoire piézoélectriques. Dans ce rapport, nous démontrons que des films minces denses ferroélectriques sans plomb (Bi1/2K1/2)TiO3 (BKT) avec une orientation préférentielle de l'axe c peuvent être cultivés sur des substrats d'alliage à base de nickel en utilisant une méthode de synthèse hydrothermale. Une couche tampon de LaNiO3 (LN) a été formée sur le substrat par spin-coating sol-gel, puis le BKT a été cultivé par réaction hydrothermale à une basse température de 150 ℃. Il a été constaté que la structure de la surface et l'épaisseur des films BKT finaux dépendaient fortement du nombre de cycles de dépôt pour le LN et le BKT, respectivement. Par conséquent, des films de BKT fortement orientés selon l'axe c avec des surfaces lisses et des épaisseurs allant jusqu'à 830 nm ont été obtenus. Bien que les films BKT déposés proposés contiennent des groupes hydroxyles dans leur réseau, un processus de post-cuisson à 650°C dans l'air s'est avéré efficace pour les éliminer, et la réponse de polarisation des films BKT recuits a démontré la conversion de la polarisation de l'électrode de fer dans les films.

L'image 10 montre la surface et la structure transversale du film observées par microscopie électronique à balayage par émission de champ (FE-SEM) à l'aide d'un microscope FEI Sirion à une tension d'accélération de 5 kV. La taille moyenne des grains a été déterminée en mesurant la longueur des bords de 30 grains cubiques trouvés dans l'image FE-SEM de la surface du film. La détermination de la phase des films a été effectuée par diffraction des rayons X (XRD) à l'aide d'un diffractomètre Bruker AXS D8-ADVANCE avec une géométrie 2θ/θ pour le rayonnement Cu Kα. Pour la caractérisation électrique, les films déposés ont été post-recuits à l'air à 650°C pendant 10 minutes afin d'éliminer les groupes hydroxyle du réseau contenus dans les films. Ensuite, une électrode circulaire en or de 1 mm de diamètre a été pulvérisée sur les échantillons de film en tant qu'électrode supérieure et sur un substrat Inconel en tant qu'électrode inférieure. En utilisant un mesureur LCR (ZM2371, NF Corporation), la polarisation (P) en fonction du champ électrique a été mesurée. Les courbes de polarisation (P) en fonction du champ électrique (E) et de densité de courant (J) en fonction de E ont été mesurées à température ambiante en appliquant une onde de tension triangulaire d'une fréquence de 200 Hz à l'aide d'un système de test ferroélectrique (FCE10-B, TOYO Corp.).

source (d'information, etc.)

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

Institution : Département de chimie appliquée, Faculté des sciences et technologies, Université Keio, 3-14-1Hiyoshi, Kohoku-ku, Yokohama 223-8522, Japon

Publié : reçu le 15 avril 2020 ; reçu sous forme révisée le 17 août 2020 ; accepté le 8 septembre 2020.

Mots-clés : ferroélectricité, croissance de couches minces, méthode hydrothermale, substrats métalliques, synthèse à basse température

Journal : Thin SolidFilms

Site web de la source de l'article :Croissance hydrothermale de films ferroélectriques (Bi1/2K1/2)TiO3 orientés vers l'axe c sur des substrats métalliques