背景：

  由壓電和磁致伸縮材料組成的磁電（ME）薄膜復合材料是應用于磁場傳感器、能量收集器和ME天線的很有前途的候選材料。傳統(tǒng)上，需要高溫退火來結晶壓電薄膜，這限制了增強磁電耦合的熱敏磁致伸縮基板的使用。在此，演示了一種協(xié)同制備ME薄膜復合材料的方法，通過氣溶膠沉積和基于光子燒結（IPL）輻射的瞬時熱處理，在非晶Metglas基底上形成壓電Pb（Zr，Ti）O₃（PZT）厚薄膜。IPL在幾毫秒內快速退火PZT薄膜，而不損害底層的Metglas。為了優(yōu)化IPL輻照條件，采用瞬態(tài)光熱計算模擬的方法確定了PZT/Metglas薄膜內部的溫度分布。利用不同的IPL脈沖持續(xù)時間對PZT/Metglas薄膜進行退火，以確定其結構-性能關系。IPL處理提高了PZT的結晶度，從而提高了復合薄膜的介電、壓電和ME性能。通過脈沖寬度0.75ms的IPL退火的PZT/Metglas薄膜獲得了超高非共振耦合（≈20Vcm^?1Oe^?1）（高于其他薄膜一個數(shù)量級），為下一代小型化和高性能的磁電設備確定了可能性。

文獻介紹：

  由磁致伸縮和鐵電/壓電成分組成的磁電（ME）復合材料由于能夠通過ME耦合效應將磁場轉化為電（反之亦然）而引起了人們的廣泛關注。引證直接的例子，磁致伸縮材料在施加磁場下會產生機械應變；該應變作為界面應力傳遞到壓電元件上會產生電信號。具有大型ME耦合的ME復合材料已被廣泛開發(fā)用于各種基于ME的器件，如磁場傳感器、能量收集器、可調諧射頻（RF）器件和自旋電子器件。原型演示已經說明了，通過多功能薄膜中磁性和電子特性的結合，可以實現(xiàn)小型化和超低功耗納米/微電子技術的潛力。ME復合材料的性能是根據(jù)ME電壓效率α_ME來量化的，這被認為是一個關鍵的參數(shù)。按照之前，ME復合材料的大塊層壓板已經被用來證明在非共振條件下具有出色的α_ME（高達21.6Vcm^?1Oe^?1）。然而，大塊ME復合材料存在一定的局限性，例如由于中間粘附層導致界面耦合不完美，難以響應小磁場。雖然ME薄膜異質結構已經被提出來解決這些問題，但由于襯底夾緊效應或其他原因導致的機電性能較差，實現(xiàn)與大塊層壓板相當?shù)拇螃?/span>_ME 是具有挑戰(zhàn)性。此外，ME薄膜的異質結構在壓電薄膜的結晶過程中還要經過復雜的后熱處理。

 為了減少襯底夾緊效應，人們開發(fā)了各種方法，包括插入界面緩沖層、制造垂直排列的鐵電納米結構、光刻圖案、厚（>1μm）壓電薄膜的生長以及柔性襯底的利用。其中，后兩種方法已證明了減輕夾緊效應的有效性。在柔性磁致伸縮基板上使用厚鐵電薄膜進行了成功的演示，使已建立的制造具有改進壓電性能的ME薄膜的方法能夠協(xié)同集成。結晶后是最大限度地提高ME薄膜異質結構性能的另一個重要過程，因為它可以排列鐵電材料的域，以增強每個晶體單元內偶極矩的極化。傳統(tǒng)的熱處理，如在超過600°C的溫度下退火，已被用于結晶厚鐵電薄膜。然而，這些方法存在一些局限性，如熱預算大，導致能量損失高，退火時間變長，界面原子擴散/發(fā)生化學反應，以及對非晶合金和聚合物等溫度敏感襯底的損害。幾種低溫退火工藝已被提出，包括深紫外（UV）加熱、快速熱處理、高壓退火和微波輔助熱處理；然而，需要嚴格的環(huán)境條件和相對較長的處理時間。此外，在這些過程中，壓電層在不影響下選擇性退火是不可能的。

 利用各種光學光源的光子退火技術，如激光和氙氣閃光燈的強脈沖光（IPL）輻射，已經成為極有前途的極快速熱處理的候選者。該技術具有在目標材料內產生時空控制熱傳遞的卓越能力，可以實現(xiàn)功能層的瞬間熔化和晶體生長，而不會損壞下面的基板。例如，利用激光輻照局部加熱對沉積在柔性磁致伸縮基底（ME薄膜異質結構）上的壓電薄膜進行退火。然而，使用單色激光器的光熱過程存在固有的限制，包括有限的光吸收長度、耗時的連續(xù)過程和小的光點光束尺寸，從而在生產大面積厚ME薄膜的過程中帶來了尺度上的挑戰(zhàn)。

 相反，IPL系統(tǒng)被認為是大面積光熱退火過程的理想工具。通過優(yōu)化閃光燈的尺寸/布局和內置反射器設計，可以在12英寸晶片尺寸的大面積樣品中照射均勻度控制在±3%。這意味著IPL可以用于12英寸的晶圓，這是微機電系統(tǒng)（MEMS）設備中最大的晶圓尺寸。ME薄膜的最終目標可能是金屬MEMS器件，因此在短時間內的大面積熱處理是器件應用的關鍵問題。

 在此，我們展示了一種基于氙氣閃光燈的變革性IPL輻照工藝，它克服了上述挑戰(zhàn)，并提供了顯著的優(yōu)勢，如成本效益、可擴展性（>300mm×150mm）、快速加工性、寬光譜（200-1000nm）和高光輸出效率。通過制備Pb（Zr，Ti）O3（PZT）/Metglas（FeBSi）薄膜異質結構，實現(xiàn)了≈20Vcm^?1Oe^?1的超高非共振ME耦合，如圖1所示。據(jù)我們所知，使用IPL退火（IPLA），PZT/Metglas獲得的α_ME值比迄今為止報道的任何其他ME薄膜復合系統(tǒng)都要高一個數(shù)量級。值得注意的是，ME薄膜復合材料中的ME耦合首次達到了與ME體層壓板相同的水平。

  氣溶膠沉積（AD）過程只需要幾分鐘就能生產具有強界面附著力（≈30MPa）的高密度（>95%）陶瓷厚膜（1-100μm），這是在室溫下與任何低熱預算的非晶金屬或聚合物基底進行高界面耦合的關鍵因素，從而在生產中提供了優(yōu)良的材料性能和成本效益。氙氣閃光燈放出的多種電磁波長根據(jù)光穿透深度被PZT厚膜減弱，從而使沉積的PZT薄膜在毫秒時間內實現(xiàn)體積結晶，而不會對非晶態(tài)Metglas基板造成任何損壞。在PZT和Metglas之間沒有觀察到界面化學反應。通過表征IPLA PZT/Metglas薄膜復合材料的介電、壓電和ME特性，深入研究了不同IPL輻照條件（如放電電壓和脈沖寬度）下的光子退火效應。此外，通過瞬態(tài)光熱模擬理論計算PZT/Metglas異質結構復合材料內部的溫度分布，實現(xiàn)了IPL誘導的PZT相結晶的可靠驗證。

引用：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202303553

本網站所發(fā)表內容轉載時會注明來源，版權歸原出處所有（無法查證版權的或未注明出處的均來源于網絡搜集）。轉載內容（視頻、文章、廣告等）只以信息傳播為目的，僅供參考，不代表本網站認同其觀點和立場。內容的真實性、準確性和合法性由原作者負責。如涉及侵權，請聯(lián)系刪除，此轉載不作為商業(yè)用途