研究目的
研究原位制备的掺铌Pb(Zr,Ti)O3薄膜悬臂梁的内场依赖低频压电能量收集特性,重点验证这些薄膜无需退火和极化工艺即可作为低频振动源能量收集器的可能性。
研究成果
PZT薄膜中重掺铌可在无需额外退火或极化工艺的情况下实现高机电能量收集性能。12摩尔%铌掺杂悬臂梁展现出最佳品质因数(约19.1吉帕)和功率密度(约1436毫瓦每立方厘米每克平方),这归因于增强的印记行为和内建电场。这种原位加工方法对于低频能量收集器具有竞争力且成本效益显著。
研究不足
原位畴形成机制的起源尚未完全明确。该研究仅限于特定掺杂水平和衬底构型;可能需要进一步优化并理解缺陷偶极子和内场。谐振频率固定在约41赫兹,可能无法覆盖所有低频应用场景。
1:实验设计与方法选择:
本研究采用原位溅射工艺,在具有Ir/TiW/SiO2缓冲层的硅衬底上制备铌掺杂PZT薄膜,无需退火或极化即可实现畴结构形成。通过表征介电和压电性能确定优值系数(FOM)及能量收集性能。
2:样品选择与数据来源:
样品制备采用不同铌掺杂浓度(0、2、8、12、14 mol%)的Pb1.3(Zr0.52Ti0.48)1-xNbxO3组分。制备的薄膜悬臂梁尺寸为宽度3毫米×长度25毫米×厚度525微米。
3:14 mol%)的Pb3(Zr52Ti48)1-xNbxO3组分。制备的薄膜悬臂梁尺寸为宽度3毫米×长度25毫米×厚度525微米。 实验设备与材料清单:
3. 实验设备与材料清单:设备包括射频磁控溅射系统、用于缓冲层的直流磁控溅射、阻抗分析仪(安捷伦4194A)、Precision Pro分析仪(Radiant Technologies公司)、函数发生器(固纬AFG-2005)、纳伏表(吉时利2182A)、功率放大器(CERATORQ APAMP-270)、激光位移传感器(RIFTEK RF603)、场发射扫描电镜(JEOL JSM-7001F)、X射线光电子能谱仪(VG Scientific仪器ESCALAB 220i-XL)。材料包括靶材制备用氧化物(PbO、TiO2、ZrO2、Nb2O5)、衬底(SiO2/Si)及电极(Pt、Ir、TiW)。
4:5)、纳伏表(吉时利2182A)、功率放大器(CERATORQ APAMP-270)、激光位移传感器(RIFTEK RF603)、场发射扫描电镜(JEOL JSM-7001F)、X射线光电子能谱仪(VG Scientific仪器ESCALAB 220i-XL)。材料包括靶材制备用氧化物(PbO、TiOZrONb2O5)、衬底(SiO2/Si)及电极(Pt、Ir、TiW)。 实验流程与操作步骤:
4. 实验流程与操作步骤:通过直流溅射在SiO2/Si衬底上沉积缓冲层(Ir和TiW)。铌掺杂PZT薄膜在660°C下以150W射频功率和37.5mTorr腔室压力(使用氩气)进行溅射沉积。测量电容-电场曲线。使用定制振动台使悬臂梁收集器在共振频率(约41Hz)下振动,通过激光传感器监测位移。在不同负载电阻下测量输出电压和功率。
5:5mTorr腔室压力(使用氩气)进行溅射沉积。测量电容-电场曲线。使用定制振动台使悬臂梁收集器在共振频率(约41Hz)下振动,通过激光传感器监测位移。在不同负载电阻下测量输出电压和功率。 数据分析方法:
5. 数据分析方法:优值系数计算公式为(-e31)^2 / (ε0 εr)。输出功率计算公式为P = (Vpp/2)^2 / R。分析铌掺杂、印迹行为与收集性能之间的相关性。
独家科研数据包,助您复现前沿成果,加速创新突破
获取完整内容-
impedance analyzer
4194A
Agilent
Measuring capacitance-electric field curves
-
nanovoltmeter
2182A
Keithley
Measuring voltage outputs
-
FE-SEM
JSM-7001F
JEOL
Observing microstructures of thin films
-
Precision Pro analyzer
Radiant Technologies Inc.
Analyzing dielectric properties
-
function generator
AFG-2005
GW Instek
Generating vibrational signals for the shaker
-
power amplifier
APAMP-270
CERATORQ
Amplifying signals for the vibration shaker
-
laser displacement sensor
RF603
RIFTEK
Monitoring displacement of the cantilever tip
-
XPS
ESCALAB 220i-XL
VG Scientific
Confirming Nb-doping via high-resolution spectroscopy
-
登录查看剩余6件设备及参数对照表
查看全部