鈮酸鉀鈉{(K, Na)NbO3, KNN}薄膜具有無鉛的環(huán)境友好性、相對(duì)較高的壓電系數(shù)和較高的居里溫度等特點(diǎn)，從而被廣泛研究用以替代PZT薄膜的使用，如在超聲霧化、水聲換能、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域[1]。目前主要通過物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、化學(xué)溶液沉積（CSD）等方式進(jìn)行制備KNN薄膜。相比PVD、CVD制備法而言，CSD制備法制備過程相對(duì)簡(jiǎn)單，無需復(fù)雜的設(shè)備，易于實(shí)現(xiàn)，整體成本更低；而存在的難點(diǎn)是，制備過程中容易形成副產(chǎn)物，以及 制備過程中需要控制好薄膜的紋理和微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜熱解中分解和結(jié)晶情況的控制。

       Nikolai等人[2]研究開發(fā)了兩種新的水溶液預(yù)處理方法，通過優(yōu)化合成溫度和化學(xué)溶劑，成功實(shí)現(xiàn)了相純度較高的KNN薄膜。研究還強(qiáng)調(diào)，薄膜結(jié)晶過程的熱處理對(duì)KNN的成核和二次相的形成有重要作用。

圖1（a-d）是薄膜的橫截面圖像。（e-h）是薄膜表面的俯視圖圖像

       研究者利用兩種前驅(qū)體溶液的旋涂層成功制備了KNN薄膜。從圖1所示的掃描電鏡圖像中可以明顯看出，這些溶液很好地濕潤(rùn)了襯底，形成了厚度均勻的致密薄膜。KNN-Ox和KNN-MA薄膜的每次沉積的最終薄膜厚度分別為~23 nm和~17 nm。沉積膜的主要收縮發(fā)生在熱解過程中，而厚度在最終退火步驟中保持相對(duì)恒定。在薄膜處理和表征或透射電鏡樣品制備過程中沒有分層，觀察到薄膜與基板的良好粘附性沒有分層。

圖2  KNN-Ox和KNN-MA薄膜經(jīng)過550℃和700℃退火的GI-XRD圖譜

       KNN-Ox和KNN-MA薄膜的GI-XRD數(shù)據(jù)如圖2所示，顯示了在550℃焦化和在700℃退火的薄膜中，KNN存在布拉格反射。在700℃退火后，薄膜產(chǎn)生的衍射線變得更尖銳。值得注意的是，在KNN-Ox膜和KNN-MA膜在O2退火的中存在二次相（K4Nb6O17，K2Nb4O11），而在空氣（O2/N2=1/4）中制備的KNN-MA根據(jù)GI-XRD是相純的。

       在空氣中合成的KNN-MA薄膜的透射電鏡表征顯示，襯底和KNN薄膜之間有1-3nm厚的外延界面層，隨后整個(gè)薄膜厚度呈柱狀微觀結(jié)構(gòu)。薄的外延層對(duì)應(yīng)于第一沉積層的內(nèi)部（17 nm）。KNN-MA薄膜的θ-2θ衍射結(jié)果表明，該薄膜具有平面外的紋理化。這是由于柱狀晶粒的優(yōu)先取向，盡管PED圖譜映射顯示了一個(gè)局部的平面內(nèi)多晶微觀結(jié)構(gòu)。在極點(diǎn)圖中，沒有觀察到指向紋理的對(duì)稱性；因此，合成過程中的熱處理決定了最終薄膜的紋理/外延程度，這與Yu等人的[3]相一致。這表明，通過改變合成過程中的熱處理，可以從KNN-MA前驅(qū)體溶液中獲得相純外延KNN薄膜。在KNN-MA薄膜的極化電場(chǎng)測(cè)量中，在低頻（0.1和0.3 Hz）下獲得了明顯的鐵電響應(yīng)。

       通過上述結(jié)果顯示，優(yōu)異的鐵電性能的KNN薄膜和控制熱處理過程是密切相關(guān)的，熱處理過程主要由于RTP快速退火爐的良好表現(xiàn)，RTP系列產(chǎn)品是武漢嘉儀通科技有限公司的核心產(chǎn)品，在薄膜材料制備及熱處理方面展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)，形成鮮明的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，為高質(zhì)量薄膜材料提供了速升降溫、精準(zhǔn)控溫的高溫場(chǎng)和氣氛氛圍，具體表現(xiàn)在：

       √ 快速升降溫和氣氛控制，提供了適宜的反應(yīng)條件，有利于鐵電相的生成，減少副產(chǎn)物和避免晶粒過大；

       √ 氣氛控制下的精準(zhǔn)控溫能夠促進(jìn)鐵電材料的結(jié)晶和相轉(zhuǎn)變，獲得更加相純的鐵電材料，提高鐵電性能；

       √ 退火工藝控制可以控制鐵電薄膜的紋理和微觀結(jié)構(gòu)，獲得垂直的鐵電相，即特定方向上的鐵電性。

       此外，嘉儀通快速退火爐（RTP，Rapid Thermal Processing）產(chǎn)品，采用紅外輻射加熱及冷壁技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜材料的快速升溫和降溫，同時(shí)搭配超高精度的溫度控制系統(tǒng)，可達(dá)到極佳的溫場(chǎng)均勻性和穩(wěn)定性。

       嘉儀通(JouleYacht)快速退火爐系列可處理1-12吋樣品，對(duì)材料的快速熱處理、快速熱退火、快速熱氧化、快速熱氮化及金屬合金化等研究和生產(chǎn)起到重要作用。

       參考文獻(xiàn)：

       [1]Koruza J, Liu H, H?fling M, et al. (K, Na) NbO3-based piezoelectric single crystals: Growth methods, properties, and applications[J]. Journal of Materials Research, 2020, 35(8): 990-1016.

       [2]Helth Gauk?s N, Dale S M, R?der T M, et al. Controlling phase purity and texture of K0. 5Na0. 5NbO3 thin films by aqueous chemical solution deposition[J]. Materials, 2019, 12(13): 2042.

       [3]Yu Q, Li J F, Chen Y, et al. Effect of Pyrolysis Temperature on Sol–Gel Synthesis of Lead‐free Piezoelectric (K, Na) NbO 3 Films on Nb: SrTiO 3 Substrates[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2014, 97(1): 107-113.