專利名稱：一種錳穩(wěn)定氧化鋯薄膜的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種錳穩(wěn)定氧化鋯薄膜的制備方法，具體涉及一種在氧化物 半導體裝置中的柵介質、磁性薄膜、高溫超導涂層導體等領域中具有廣泛
應用潛力的錳穩(wěn)定氧化鋯Zr。.75Mn。.2502薄膜的制備方法。
背景技術：
氧化鋯(Zr02)材料在氧探測器、高溫燃料電池、催化技術和光導裝 置中有著廣泛的應用潛力。氧化鋯(Zr02)也是一種高溫結構陶瓷材料， 熔點高達2973K。在大氣環(huán)境下，氧化鋯存在三種同質異形體，即單斜晶 系(m-Zr02)、四方晶系(t-Zr02)和立方晶系(c-Zr02)。純的Zr02在燒結后的 冷卻過程中會發(fā)生四方相到單斜相的馬氏體相變，同時伴隨有體積變化， 導致制備的材料開裂，限制了氧化鋯材料在工程上的應用。
開發(fā)氧化鋯(Zr02)薄膜材料對于氧化物半導體裝置中的柵介質、磁 性薄膜、高溫超導涂層導體等領域具有重要意義。針對半導體中的柵極材 料應用，理論計算表明，四方相的介電常數(shù)可以高達47，因此穩(wěn)定高溫四 方相成為氧化鋯材料研究的重要方向，而制備出四方相單一取向薄膜甚至 單晶薄膜就成為半導體中新型柵極材料研究的熱點。通常情況下，純的氧 化鋯(Zr02)薄膜不易呈現(xiàn)單一的四方相，少量單斜相會伴生在氧化鋯薄 膜中，而且在襯底/薄膜的界面處會出現(xiàn)第二相氧化物。在過渡金屬氧化物 中引入磁性元素可以獲得鐵磁性半導體，這種材料將極大地影響未來的信 息技術。這些鐵磁性半導體材料的應用首先依賴于它們薄膜的性質，然而 磁性元素摻雜的氧化鋯薄膜的研究鮮有報道。在高溫超導涂層導體中，處 在金屬基帶與超導層之間的緩沖層的關鍵作用是化學阻隔和織構傳遞。結構穩(wěn)定和結構匹配是選擇緩沖層的重要依據(jù)。在穩(wěn)定氧化鋯(鉿)材料中， 僅有釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)薄膜被應用在涂層導體緩沖層中，然而利用
磁控濺射沉積的YSZ不能應用在緩沖層的種子層中，因為隨著YSZ薄膜 厚度的增加，YSZ薄膜容易發(fā)生開裂。因此，探索新型緩沖層材料及其制 備技術也是目前高溫超導涂層導體領域的努力方向之一。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術存在的不足，提出一種錳 穩(wěn)定氧化鋯薄膜的制備方法，穩(wěn)定體材氧化鋯所采用的穩(wěn)定劑是Mn02， 制備錳穩(wěn)定氧化鋯薄膜所釆用的方法是脈沖激光沉積法。本方法可以克服 現(xiàn)有技術在制備氧化鋯薄膜時存在的單斜相與高溫相混存、襯底/薄膜界面 處易出現(xiàn)第二相氧化物的問題，而且制備工藝簡單及重復性好，該方法制 備的錳穩(wěn)定氧化鋯薄膜與單晶襯底之間具有原子級的銳利界面。
為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是 一種錳穩(wěn)定氧化鋯 薄膜的制備方法，其特征在于制備過程為
(1 )按照Zr。.75Mn。.2502中Zr : Mn的摩爾比為3 : 1稱取金屬氧化物 Zr02粉末和Mn02粉末，混合研磨后在1400°C溫度下恒溫處理12-24小時 后取出；
(2) 再仔細研磨，混合充分，在壓片機上用硬質鋼模具將混合粉末 壓制成圓片；
(3) 將步驟(2)中的圓片放在剛玉坩堝里，在硅碳管發(fā)熱體管式高 溫爐內(nèi)燒結，在氬氣氣氛中于140(TC溫度下燒結12-24小時，然后隨爐冷 卻至室溫，得到相應的穩(wěn)定氧化鋯樣品；
(4) 對步驟(3)中的穩(wěn)定氧化鋯樣品表面進行打磨制備成靶材；
(5) 將沉積室預抽真空，以清洗后的YSZ單晶基片作為襯底，在氬 氣氣氛中、壓力為5-10Pa的沉積氣壓和800-90(TC襯底溫度下，用能量為 550mJ和頻率為5-10Hz的脈沖激光剝蝕步驟(4)中所述靶材15-30分鐘以獲得薄膜，并在一個大氣壓氬氣中將所述薄膜冷卻至室溫，即制得錳穩(wěn) 定氧化鋯薄膜，其中，所述YSZ是指釔穩(wěn)定的氧化鋯。
上述步驟(2)中所述壓片機的壓力為10Mpa。
上述步驟(5)中所述沉積室的真空度為2xl(T4Pa。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點本發(fā)明在較高襯底溫度和氬氣 氣氛條件下制備，有利于消除襯底/薄膜界面非晶態(tài)層和第二相氧化物的形 成，制備出的錳穩(wěn)定氧化鋯薄膜具有良好c軸織構而且平整的表面；本發(fā) 明可實現(xiàn)在較寬襯底溫度范圍內(nèi)快速制備錳穩(wěn)定氧化鋯薄膜。
下面通過實施例，對本發(fā)明做進一步的詳細描述。
具體實施例方式
實施例1
以Zr02粉末和Mn02粉末為原料，按Zr : Mn的摩爾比為3:1稱量、 混合、研磨2h,在1400。C溫度下恒溫處理12-24小時后取出，再仔細研磨 2h，混合充分，稱量5g—份，在壓片機上用硬質鋼模具，采用10MPa的 壓力壓制成直徑為20mm、厚為2mm的圓片狀樣品。樣品放在剛玉坩堝后 置于硅碳管發(fā)熱體管式高溫爐內(nèi)，在氬氣環(huán)境下，于140(TC溫度下燒結 12-24小時后隨爐冷卻至室溫，即制得了 Zr仏75Mno.2502穩(wěn)定氧化鋯塊材， 將塊材打磨后制得靶材。然后利用脈沖激光沉積技術制備錳穩(wěn)定氧化鋯薄 膜，實驗中使用的激光器是德國Lambda Physik公司生產(chǎn)的COMPex205 型KrF準分子激光器，激光波長為248nm,脈沖寬度25ns，脈沖激光能 量是550mJ，脈沖頻率為5-10Hz，靶-襯距離為60-65mm，激光經(jīng)聚焦后 以45度角入射到靶材表面。選擇單面拋光單晶YSZ (釔穩(wěn)定的氧化鋯) 為襯底，清洗后放入沉積室中。沉積室的背底真空是2xl(^Pa,工作氬氣 壓是5-10Pa,襯底溫度80(TC。沉積15-30min后樣品在1大氣壓氬氣氣氛 中慢冷至室溫，即制得了具有良好c軸織構和界面銳利的錳穩(wěn)定氧化鋯薄 膜。實施例2
以Zr02粉末和Mn02粉末為原料，按Zr : Mn的摩爾比為3:1稱量、 混合、研磨2h，在140(TC溫度下恒溫處理12-24小時后取出，再仔細研磨 2h,混合充分，稱量5g—份，在壓片機上用硬質鋼模具，釆用10MPa的 壓力壓制成直徑為20mm、厚為2mm的圓片狀樣品。樣品放在剛玉坩堝后 置于硅碳管發(fā)熱體管式高溫爐內(nèi)，在氬氣環(huán)境下，于140(TC溫度下燒結 12-24小時后隨爐冷卻至室溫，即制得了 Zro.75Mn。.2502穩(wěn)定氧化鋯塊材， 將塊材打磨后制得靶材。然后利用脈沖激光沉積技術制備錳穩(wěn)定氧化鋯薄 膜，實驗中使用的激光器是德國Lambda Physik公司生產(chǎn)的COMPex205 型KrF準分子激光器，激光波長為248nm,脈沖寬度25ns,脈沖激光能 量是550mJ，脈沖頻率為5-10Hz,靶-襯距離為60-65mm,激光經(jīng)聚焦后 以45度角入射到靶材表面。選擇單面拋光單晶YSZ (釔穩(wěn)定的氧化鋯) 為襯底，清洗后放入沉積室中。沉積室的背底真空是2xl(^Pa，工作氬氣 壓是5-10Pa，襯底溫度850°C。沉積15-30min后樣品在1大氣壓氬氣氣氛 中慢冷至室溫，即制得了具有良好c軸織構和界面銳利的錳穩(wěn)定氧化鋯薄 膜。
實施例3
以Zr02粉末和Mn02粉末為原料，按Zr : Mn的摩爾比為3:1稱量、 混合、研磨2h，在1400。C溫度下恒溫處理12-24小時后取出，再仔細研磨 2h,混合充分，稱量5g—份，在壓片機上用硬質鋼模具，釆用10MPa的 壓力壓制成直徑為20mm、厚為2mm的圓片狀樣品。樣品放在剛玉坩堝后 置于硅碳管發(fā)熱體管式高溫爐內(nèi)，在氬氣環(huán)境下，于140(TC溫度下燒結 12-24小時后隨爐冷卻至室溫，即制得了 Zro.7sMno.2502穩(wěn)定氧化鋯塊材， 將塊材打磨后制得靶材。然后利用脈沖激光沉積技術制備錳穩(wěn)定氧化鋯薄 膜，實驗中使用的激光器是德國Lambda Physik公司生產(chǎn)的COMPex205 型KrF準分子激光器，激光波長為248nm，脈沖寬度25ns,脈沖激光能 量是550mJ，脈沖頻率為5-10Hz，靶-襯距離為60-65mm,激光經(jīng)聚焦后
6以"度角入射到靶材表面。選擇單面拋光單晶YSZ (釔穩(wěn)定的氧化鋯) 為襯底，清洗后放入沉積室中。沉積室的背底真空是2xl(^Pa,工作氬氣 壓是5-10Pa，襯底溫度90(TC。沉積15-30min后樣品在1大氣壓氬氣氣氛 中慢冷至室溫，即制得了具有良好c軸織構和界面銳利的錳穩(wěn)定氧化鋯薄 膜。
以上實例制得的錳穩(wěn)定氧化鋯薄膜經(jīng)X射線衍射分析表明，這些薄膜 均具有很好的c軸織構，透射電鏡(TEM)觀察表明，這些錳穩(wěn)定氧化鋯 薄膜致密，并且具有原子級的銳利界面。
權利要求
1.一種錳穩(wěn)定氧化鋯薄膜的制備方法，其特征在于制備過程為(1)按照Zr0.75Mn0.25O2中Zr∶Mn的摩爾比為3∶1稱取金屬氧化物ZrO2粉末和MnO2粉末，混合研磨后在1400℃溫度下恒溫處理12-24小時后取出；(2)再仔細研磨，混合充分，在壓片機上用硬質鋼模具將混合粉末壓制成圓片；(3)將步驟(2)中的圓片放在剛玉坩堝里，在硅碳管發(fā)熱體管式高溫爐內(nèi)燒結，在氬氣氣氛中于1400℃溫度下燒結12-24小時，然后隨爐冷卻至室溫，得到相應的穩(wěn)定氧化鋯樣品；(4)對步驟(3)中的穩(wěn)定氧化鋯樣品表面進行打磨制備成靶材；(5)將沉積室預抽真空，以清洗后的YSZ單晶基片作為襯底，在氬氣氣氛中、壓力為5-10Pa的沉積氣壓和800-900℃襯底溫度下，用能量為550mJ和頻率為5-10Hz的脈沖激光剝蝕步驟(4)中所述靶材15-30分鐘以獲得薄膜，并在一個大氣壓氬氣中將所述薄膜冷卻至室溫，即制得錳穩(wěn)定氧化鋯薄膜，其中，所述YSZ是指釔穩(wěn)定的氧化鋯。
2. 按照權利要求l所述的一種錳穩(wěn)定氧化鋯薄膜的制備方法，其特征 在于，步驟(2)中所述壓片機的壓力為10Mpa。
3. 按照權利要求l所述的一種錳穩(wěn)定氧化鋯薄膜的制備方法，其特征 在于，步驟(5)中所述沉積室的真空度為2xl(T4Pa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種錳穩(wěn)定氧化鋯薄膜的制備方法，制備過程為以金屬氧化物ZrO<sub>2</sub>粉末和MnO<sub>2</sub>粉末為原料，按Zr<sub>0.75</sub>Mn<sub>0.25</sub>O<sub>2</sub>中陽離子的摩爾比為3∶1稱量，混合、研磨、燒結；再次研磨、壓片后重復燒結，并將燒結樣品打磨后得到靶材，在一定的襯底溫度、氬氣分壓、靶-襯距離下，入射到靶材表面的脈沖激光剝蝕靶體，形成羽輝后將摻雜氧化鋯沉積到襯底釔穩(wěn)定的氧化鋯單晶基片上，制得錳穩(wěn)定氧化鋯薄膜。本發(fā)明工藝簡單，所制備的錳穩(wěn)定氧化鋯薄膜具有很好的c軸織構，表面光滑致密，錳穩(wěn)定氧化鋯薄膜與單晶襯底之間具有原子級的銳利界面。
文檔編號C04B35/622GK101580391SQ20091002306
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月26日 優(yōu)先權日2009年6月26日
發(fā)明者馮建情, 盧亞鋒, 李成山, 白利鋒, 果 閆 申請人:西北有色金屬研究院