(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210751516.4 (22)申请日 2022.06.29 (71)申请人 中北大学 地址 030051 山西省太原市尖草 坪区学院 路3号 (72)发明人 韩树棋　毕开西　丑修建　耿文平　 穆继亮　梅林玉　周思源　付文潇　 牛耀凯　栗倩男　张帅　张慧毅　 (74)专利代理 机构 太原科卫专利事务所(普通 合伙) 1410 0 专利代理师 朱源 (51)Int.Cl. H01L 41/113(2006.01) H01L 41/22(2013.01) G01L 1/16(2006.01)G01L 9/08(2006.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 111/14(2020.01) (54)发明名称 基于挠曲电极化增强力电耦合机制的P ZT基 石墨烯复合压感薄膜结构 (57)摘要 本发明属于NEMS微压力敏传感设计领域， 具 体为基于挠曲电极化增强力电耦 合机制的P ZT基 石墨烯复合压感薄膜结构， 包括Si/SiO2基片， Si/SiO2基片上设有背腔， Si/SiO2基片正面溅射 有pt/Ti的金属层， pt/Ti的金属层上面溅射有 PZT铁电薄膜， PZT铁电薄膜上有石墨烯薄膜， 石 墨烯薄膜两边溅射有金属电极， Si/SiO2基片背 面有封装基板。 本发明通过PZT铁电薄膜弯曲产 生的极化电压对石墨烯薄膜进行调控， 施加偏压 给石墨烯薄膜， 通过电路的输出电流间接表征石 墨烯载流子的输运情况， 进而表征石墨烯薄膜能 带的变化， 完成对PZT挠曲电极化调控石墨烯能 带结构及电输运机制的探究， 完成对高灵敏度力 电耦合PZ T基石墨烯复合压感薄膜结构的设计 。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 115101658 A 2022.09.23 CN 115101658 A 1.基于挠曲电极化增强力电耦合机制的PZT基石墨烯复合压感薄膜结构， 其特征在于： 包括Si/SiO2基片， Si/SiO2基片上设有背腔， Si/SiO2基片正面溅射有pt/Ti的金属层 （3） ， pt/Ti的金属层上面溅射有P ZT铁电薄膜 （4） ， PZT铁电薄膜上有石墨烯薄膜 （5） ， 石墨烯薄膜 （5） 两边溅射有金属电极 （6） ， Si/SiO2基片背面有封装基板 。 2.根据权利要求1所述的基于挠曲电极化增强力电耦合机制的PZT基石墨烯复合压感 薄膜结构， 其特 征在于： 制备工艺包括如下步骤： 1） 对Si/SiO2基片进行切割和清洗， 得到形状和洁净度均复合要求的硅基底； 2） Si/SiO2基片上溅射pt/Ti的金属层 （3） ； 3） 在步骤2的基础上 溅射一定厚度的PZT铁电薄膜 （4） ； 4） 从背面在Si/SiO2基片上刻蚀一个背腔； 5） 然后在PZT铁电薄膜 （4） 上转移石墨烯薄膜 （5） ； 6） 在石墨烯薄膜 （5） 的两边溅射设定尺寸的金属电极 （6） ； 7） 对基片进行背腔封装。 3.根据权利要求1或2所述的基于挠曲电极化增强力电耦合机制的PZT基石墨烯复合压 感薄膜结构， 其特 征在于： 其设计方法具体步骤如下： （1） 建立PZT铁电薄膜基于挠曲电效应的力 ‑电耦合仿真模型： 建立纳米铁电薄膜力电 耦合仿真模型， 用COMSOL  Multiphysics  软件进行微米尺寸下力电耦合效应仿真； （2） 探究挠曲电效应与力电耦合尺寸效应： 在步骤 （1） 的基础 上对PZT铁电薄膜 （4） 的厚 进行了参数化扫描设置， 从而对不同厚度的PZT铁电薄膜 （4） 的力 ‑电响应进 行计算仿 真； 结 果表明在微纳米尺度， 随着尺寸的减小力电耦合效应逐渐增大； （3） 探究微纳米尺度下应变梯度诱导极化的挠曲电增强机制： 通过应变梯度和应变压 电效应随纳米PZT铁电薄膜厚度的变化趋势的分析， 在步骤 （2） 的基础上对微纳尺度下力电 耦合效应的变化 规律进行探究， 并分析应 变梯度诱 导极化的挠曲电在其中的作用； （4） 探究力 ‑电耦合效应输出电压的变化规律： 仿真了不同压力情况下PZT铁电薄膜 （4） 的输出电势， 绘制力—电输出关系图， 为铁电薄膜挠 曲电极化调控石墨烯 能带结构及电输 运机制提供必要的数据支撑； （5） 探究PZT铁电薄膜的极化电压调控石 墨烯薄膜能带的机制： 在上述仿真结果的基础 上构建PZT/CVD石墨烯复合结构， 通过PZT铁电薄膜弯曲产生的极化电压对石墨烯薄膜 （5） 进行调控， 进 而可完成PZT挠曲电极化调控石墨烯能带 结构及电输运机制的探究； （6） 设计高灵敏度力电耦合传感器件结构： 完成对高灵敏度力电耦合PZT基石墨烯复合 压感薄膜结构的设计， 制定PZT基石墨烯复合压感薄膜结构的制备工艺， 为制备相应的器件 做理论准备。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115101658 A 2基于挠曲电极化增强力电耦合 机制的PZT基石墨烯复合压感 薄膜结构 技术领域 [0001]本发明属于NEMS 微压力敏传感设计领域， 具体为基于挠曲电极化增强力电耦合机 制的PZT基石墨烯复合压感薄膜结构。 背景技术 [0002]挠曲电效应在二维材料纳米尺度的研究中日渐突出， 韩国国立首尔大学S.  Park 等利用PFM显微探针对BiFeO3铁电薄膜施加机械压力， 结果显示应变梯度下铁电薄膜内部 电畴极化翻转， 面外电场分布改变， 相场模拟表明材料内部的挠 曲电场对于该极化调控起 到了至关重要的作用； 国立首尔大学D.  Lee等通过分子束外延生长方式， 制备了具有10nm 厚的HoMnO3薄膜基底复合界面结构， 其应变梯度相较于传统体材料提升了6～7个数量级， 内部挠曲电场也得到 了显著提升 。 [0003]基于微纳尺度下铁电薄膜挠曲电增强效应， 利用其表面极化电势及电荷积累可实 现对表面二维材料的电学性能调控 。 内布拉斯加大学A.  Gruverman制备了LaAlO3/SrTiO3二 维薄膜复合悬梁 结构， 利用PFM探针对该复合悬梁结构进 行外力施压， 受挠曲电极化效应影 响， 二维薄膜材料界面处将产生界面极化电极及积累电荷， 改变偏置电压下 的电导率高阻 态和低阻态输出数值， 实现基于挠 曲电效应的二维薄膜材料力电响应调控。 华东师范大学 胡志高教授通过压电力显微镜和光激励开尔文探针显微镜， 在实验上系统地观测到n型 （InSe） 和p型 （WSe2） 二维半导体的挠曲电调控光电响应特性。 [0004]鉴于微纳尺度下铁电材料挠曲电效应的显著提升， 国内外学者设计制造了多种铁 电微纳结构， 借助微纳结构挠 曲电增强极化电势及积累电荷对器表面薄膜材料， 尤其是二 维薄膜材 料进行电学响应调控是一项很有意 义的工作。 发明内容 [0005]本发明提出了一种基于挠曲电极化增强力电耦合机制的PZT基石墨烯复合压感薄 膜结构， 构建了一种在PZT铁电薄膜上基于挠曲电效应的力 ‑电耦合仿真模型。 使用COMSOL   Multiphysics软件建立仿真模 型， 通过PZT铁电薄膜应变梯度表征挠曲电效应， 研究了挠曲 电效应在微纳尺度下的尺 寸效应， 得出了微纳尺度下基于挠曲电效应的PZT铁电薄膜的力 ‑ 电耦合效应输出电压的变化规律。 并提出了用PZT铁电薄膜的极化电压调控石墨烯薄膜 能 带进而改变其载流子输运情况的一种方法。 最终在这些研究的基础上设计了一种基于挠曲 电极化增强力电耦合机制的PZT基石墨烯复合压感薄膜结构。 [0006]本发明是采用如下的技术方案实现的： 基于挠曲电极化增强力电耦合机制的PZT 基石墨烯复合压感薄膜结构， 包括Si/SiO2基片， Si/SiO2基片上设有背腔， Si/SiO2基片正面 溅射有pt/Ti的金属层， pt/Ti的金属层上面溅射有PZT铁电薄膜， PZT铁电薄膜上有石墨烯 薄膜， 石墨烯薄膜两边溅射有金属电极， Si/SiO2基片背面有封装基板 。 [0007]制备工艺包括如下步骤：说　明　书 1/4 页 3 CN 115101658 A 3