專利名稱：一種高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦酸鉛基鐵電薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，鐵電陶瓷及其薄膜材料，尤其是鉛基鐵電薄膜由于具有優(yōu)良的 鐵電、熱釋電、電光、聲光及非線性光學(xué)特性，在微電子和光電子領(lǐng)域，尤
其是高容量存儲(chǔ)器和非制冷紅外探測(cè)器方面具有廣泛的應(yīng)用前景，自20世紀(jì) 90年代以來(lái)，對(duì)這類鐵電薄膜材料的研究在國(guó)內(nèi)外都是前沿和熱門課題。在 鐵電薄膜材料和器件的制備方面，目前已經(jīng)取得較大進(jìn)展。鈦酸鉛(PT)基薄 膜作為一種鐵電材料，具有存在自發(fā)極化及高介電常數(shù)的特性，是一種被人 們視為最有前途的存儲(chǔ)介質(zhì)之一。當(dāng)然如果可以在硅襯底上象生長(zhǎng)Si02—樣 制備出高品質(zhì)的鈦酸鉛(PT)基鐵電薄膜，那么硅基鐵電薄膜在微電子技術(shù)中 的應(yīng)用將可以前進(jìn)一大步。但現(xiàn)有鈦酸鉛(PT)基鐵電薄膜在晶化過(guò)程中易與 電極發(fā)生互擴(kuò)散，在界面處產(chǎn)生缺陷，從而導(dǎo)致鐵電性能下降的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有方法制備出的鈦酸鉛基薄膜在晶化過(guò)程中 易與電極發(fā)生互擴(kuò)散，在界面處產(chǎn)生缺陷，從而導(dǎo)致鐵電性能下降的問(wèn)題，提 供了一種高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的制備方法。
制備高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的方法按以下步驟實(shí)現(xiàn) 一、在基
底上沉積一層厚度為l 10nm的鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜；二、在鈦酸鉛鑭鈣系 鐵電薄膜上沉積一層厚度為200 1000nm的鈦酸鉛系鐵電薄膜，然后在溫度為 550 70(TC條件下進(jìn)行熱處理2 5min，即得高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄 膜；其中步驟一中鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜的分子式為(Pbk.yLaxCay) IVwCb, 其中0《X《0.24, 0《Y《0.24。
本發(fā)明采用二次沉積的方法制得的高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜晶 粒大小均勻，且在大小分布規(guī)則。
本發(fā)明在制備過(guò)程中基底中間界面層生成了非連續(xù)的鈦酸鉛鑭鈣系鐵電
4薄膜島狀結(jié)構(gòu)，而這種非連續(xù)結(jié)構(gòu)的引入增加了鈦酸鉛(PT)基鐵電薄膜的形 核質(zhì)點(diǎn)，使鐵電薄膜的極化反轉(zhuǎn)更加容易，更加的不會(huì)與電極發(fā)生擴(kuò)散，極 大地提高了鐵電性能(剩余極化強(qiáng)度為55 65pC/cm2，矯頑場(chǎng)為50 55Kv/cm)。
本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備簡(jiǎn)單及所用原材料價(jià)格低廉、市場(chǎng)上即可購(gòu)得、 成本低，易于器件集成，適合于工業(yè)化生成。


圖l是具體實(shí)施方式
二十三中所得高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的 掃描電子顯微鏡照片，圖2是現(xiàn)有激光蒸發(fā)沉積法制備的鈦酸鉛鐵電薄膜掃描 電子顯微鏡照片，圖3是經(jīng)過(guò)具體實(shí)施方式
二十三處理后Pt/Ti/SiCVSi基底的 原子力顯微鏡照片，圖4現(xiàn)有Pt/Ti/Si(VS遂底的原子力顯微鏡照片，圖5是具 體實(shí)施方式二十三得到的高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的原子力顯微鏡 照片，圖6為現(xiàn)有激光蒸發(fā)沉積法制備的鈦酸鉛鐵電薄膜的原子力顯微鏡照 片，圖7為具體實(shí)施方式
二十三中高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜與激光蒸 發(fā)沉積法制備的鈦酸鉛鐵電薄膜的鐵電性能曲線圖，圖中"- -"為高鐵電 性能復(fù)合的鈦酸鉛基鐵電薄膜鐵電性能曲線，"-。_"為激光蒸發(fā)沉積法制 備的鈦酸鉛鐵電薄膜鐵電性能曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式
，還包括各具體實(shí)施 方式間的任意組合。
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式制備高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的
方法按以下步驟實(shí)現(xiàn) 一、在基底上沉積一層厚度為1 10nm的鈦酸鉛鑭鈣 系鐵電薄膜；二、在鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜上沉積一層厚度為200 1000nm 的鈦酸鉛系鐵電薄膜，然后在溫度為550 70(TC條件下進(jìn)行熱處理2 5min， 即得高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜；其中步驟一中鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄 膜的分子式為(Pbk.yLaxCay) TiL^O^其中0《X《0.24， 0《Y《0.24。 本實(shí)施方式中所使用的原材料均為市場(chǎng)所售。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟一中基 底為Pt/Ti/Si02/Si基底。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二的不同點(diǎn)是步驟一 中0.10<X<0.20。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二的不同點(diǎn)是步驟一
中0.12<X<0.18。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二的不同點(diǎn)是步驟一 中X二0.15。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一或二相同。
本實(shí)施方式得到的鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜的分子式為(Pbo^yCay)Ti03。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二的不同點(diǎn)是步驟一 中乂=0。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一或二相同。
本實(shí)施方式得到的鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜的分子式為(PbLyCay)Ti03。
本實(shí)施方式所使用的沉積液為(PbLyCay) Ti03溶膠。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二的不同點(diǎn)是步驟一 中0.10<Y<0.20。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二的不同點(diǎn)是步驟一 中Y二0.15。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一或二相同。
本實(shí)施方式得到的鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜的分子式為(Pb。.85.山^Ca(U5)
Ti1-x/4C)3。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二的不同點(diǎn)是步驟一 中Y二O。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一或二相同。
本實(shí)施方式得到的鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜的分子式為(PbkL^)Ti^403。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟一中沉 積方式采用溶膠凝膠旋涂法，旋涂速率為5500r/s,旋涂時(shí)間為30s，沉積液 為濃度為0.05mol/L鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜溶膠。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí) 施方式一相同。 '
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟一中 鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜的厚度為2 8nm。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
十二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟一中 鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜的厚度為5nm。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟二中 鈦酸鉛系鐵電薄膜為鈦酸鉛鐵電薄膜、鋯鈦酸鉛鐵電薄膜或鈮-鋯鈦酸鉛鐵電 薄膜。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
十四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十三的不同點(diǎn)是步驟二 中在鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜上沉積鈦酸鉛鐵電薄膜選用溶膠凝膠旋涂法，旋
涂速率為5500r/s，旋涂時(shí)間為30s，沉積液濃度為0.4mol/L鈦酸鉛鐵電薄膜 溶膠。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
十三相同。
具體實(shí)施方式
十五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十三的不同點(diǎn)是步驟二
中在鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜上沉積鋯鈦酸鉛鐵電薄膜選用溶膠凝膠旋涂法，
旋涂速率為4500r/s，旋涂時(shí)間為30s，沉積液濃度為0.4mol/L為鋯鈦酸鉛鐵 電薄膜溶膠。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
十三相同。
具體實(shí)施方式
十六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十三的不同點(diǎn)是步驟二 中在鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜上沉積鈮-鋯鈦酸鉛鐵電薄膜選用溶膠凝膠旋涂 法，旋涂速率為4500r/s，旋涂時(shí)間為30s，沉積液濃度為0.3mol/L鈮-鋯鈦酸 鉛鐵電薄膜溶膠。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
十三相同。
具體實(shí)施方式
十七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一、十三、十四、十五 或十六的不同點(diǎn)是步驟二中以20 60°C/s升溫速度升溫至500 700"C。其它 步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一、十三、十四、十五或十六相同。
具體實(shí)施方式
十八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一、十三、十四、十五 或十六的不同點(diǎn)是步驟二中以4(TC/s升溫速度升溫至600°C。其它步驟及參 數(shù)與具體實(shí)施方式
一、十三、十四、十五或十六四相同。
具體實(shí)施方式
十九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一、十三、十四、十五 或十六的不同點(diǎn)是步驟二中以50°C/s升溫速度升溫至650°C。其它步驟及參 數(shù)與具體實(shí)施方式
一、十三、十四、十五或十六相同。
具體實(shí)施方式
二十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一、十三、十四、十五 或十六的不同點(diǎn)是步驟二中以10'C/s升溫速度升溫至625t:。其它步驟及參 數(shù)與具體實(shí)施方式
一、十三、十四、十五或十六相同。
具體實(shí)施方式
二十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟二中熱處理時(shí)間為3min。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
二十二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟二
中熱處理時(shí)間為4min。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
二十三本實(shí)施方式制備被優(yōu)化的鈦酸鉛基鐵電薄膜的方
法按以下步驟實(shí)現(xiàn) 一、在Pt/Ti/Si02/Si基底上沉積一層厚度為5nm、分子
式為(Pb。.sLa(uCa(u)Tio.97503的鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜；二、在鈦酸鉛鑭鈣系
鐵電薄膜上沉積一層厚度為500nm的鈦酸鉛鐵電薄膜，然后在溫度為625°C 條件下進(jìn)行熱處理3min,即得高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜。
本實(shí)施得到的高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的掃描電子顯微鏡照片 如圖1所示，從圖1中可以看出本實(shí)施方式得到的高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基 鐵電薄膜晶粒大小均勻且分布規(guī)則；現(xiàn)有激光蒸發(fā)沉積法制備的鈦酸鉛鐵電 薄膜(PbTi03)掃描電子顯微鏡照片如圖2所示，從圖2中可以看出現(xiàn)有鈦酸 鉛基鐵電薄膜晶粒大小不均勻，且在大小分布不規(guī)則。
經(jīng)過(guò)本實(shí)施方式處理后Pt/Ti/Si02/Si基底的原子力顯微鏡照片如圖3所 示，從圖3可以看出經(jīng)過(guò)處理后Pt/Ti/Si02/Si基底上面存在著一些較為規(guī)則 的非連續(xù)島狀結(jié)構(gòu)，表面粗糙度相對(duì)較大(2.119nm);而現(xiàn)有Pt/Ti/Si02/Si基 底的原子力顯微鏡照片如圖4所示，從圖4可以看出Pt/Ti/Si02/Si基底本身 表面光滑，粗糙度較低僅為1.102nm。
本實(shí)施方式得到的高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的原子力顯微鏡照 片如圖5所示，現(xiàn)有激光蒸發(fā)沉積法制備的鈦酸鉛鐵電薄膜(PbTi03)的原子 力顯微鏡照片如圖6所示，相對(duì)于為現(xiàn)有方法制備的鈦酸鉛基鐵電薄膜，從 圖6中可以看出本實(shí)施方式得到的鈦酸鉛基鐵電薄膜的晶粒變小，單位體積 內(nèi)晶粒密度增加，分布均勻。通過(guò)基底界面優(yōu)化，界面層產(chǎn)生的非連續(xù)島狀 結(jié)構(gòu)有效的降低薄膜結(jié)晶形核所需要的能量，增加了形核質(zhì)點(diǎn)，提高了形核 密度，優(yōu)化了薄膜的質(zhì)量。
本實(shí)施方式得到的高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜與現(xiàn)有激光蒸發(fā)沉 積法制備的鈦酸鉛鐵電薄膜(PbTi03)的鐵電性能曲線如圖7所示，從圖7中 可以看出相對(duì)于現(xiàn)有激光蒸發(fā)沉積法制備的鈦酸鉛鐵電薄膜(PbTi03)，本實(shí) 施方式得到的高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜剩余極化強(qiáng)度明顯增加，矩形度也得到極大地改善，經(jīng)過(guò)本實(shí)施方式的界面優(yōu)化使鈦酸鉛基薄膜鐵電性 能的提高起到了積極的作用。
本實(shí)施方式得到的高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜具有優(yōu)異的鐵電性
能(剩余極化強(qiáng)度為65C/cm2，矯頑場(chǎng)為55Kv/cm)。
具體實(shí)施方式
二十一:本實(shí)施方式制備被優(yōu)化的鈦酸鉛基鐵電薄膜的方 法按以下步驟實(shí)現(xiàn) 一、在Pt/Ti/Si02/Si基底上沉積一層厚度為8nm、分子 式為PbTi03的鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜；二、在鈦酸鉛鑭l^系鐵電薄膜上沉積 一層厚度為400nm的鋯鈦酸鉛鐵電薄膜，然后在溫度為溫度為60(TC條件下 進(jìn)行熱處理4min，即得高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜。
本實(shí)施方式得到的高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜晶粒大小均勻，且 在大小分布規(guī)則，并具有優(yōu)異的鐵電性能(剩余極化強(qiáng)度為60為C/cm2，矯 頑場(chǎng)為50Kv/cm)。
具體實(shí)施方式
二十二:本實(shí)施方式制備被優(yōu)化的鈦酸鉛基鐵電薄膜的方 法按以下步驟實(shí)現(xiàn) 一、在Pt/Ti/Si02/Si基底上沉積一層厚度為8nm、分子
式為(Pbo.85Ca(H5)Ti03的鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜；二、在鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄
膜上沉積一層厚度為300nm的鈮-鋯鈦酸鉛鐵電薄膜，然后在溫度為溫度為 70(TC條件下進(jìn)行熱處理5min，即得高鐵電性能復(fù)合釹酸鉛基鐵電薄膜。
本實(shí)施方式得到的高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜晶粒大小均勻，且 在大小分布規(guī)則，并具有優(yōu)異的鐵電性能(剩余極化強(qiáng)度為62MC/cm2，矯頑 場(chǎng)為54Kv/cm)。
權(quán)利要求
1、一種高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的制備方法，其特征在于制備高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的方法按以下步驟實(shí)現(xiàn)一、在基底上沉積一層厚度為1～10nm的鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜；二、在鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜上沉積一層厚度為200～1000nm的鈦酸鉛系鐵電薄膜，然后在溫度為550～700℃條件下進(jìn)行熱處理2～5min，即得高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜；其中步驟一中鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜的分子式為(Pb1-x-yLaxCay)Ti1-x/4O3，其中0≤X≤0.24，0≤Y≤0.24。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的制備 方法，其特征在于步驟一中基底為Pt/Ti/Si02/Si基底。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的 制備方法，其特征在于步驟一中0.10<X<0.20。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的 制備方法，其特征在于步驟一中0.10<Y<0.20。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的制備 方法，其特征在于步驟一中沉積方式采用溶膠凝膠旋涂法，旋涂速率為 5500r/s，旋涂時(shí)間為30s，沉積液為濃度為0.05mol/L鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜溶膠。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的制備 方法，其特征在于步驟二中鈦酸鉛系鐵電薄膜為鈦酸鉛鐵電薄膜、鋯鈦酸鉛 鐵電薄膜或鈮-鋯鈦酸鉛鐵電薄膜。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的制備 方法，其特征在于步驟二中在鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜上沉積鈦酸鉛鐵電薄膜 選用溶膠凝膠旋涂法，旋涂速率為5500r/s，旋涂時(shí)間為30s，沉積液濃度為 0.4mol/L鈦酸鉛鐵電薄膜溶膠。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的制備 方法，其特征在于步驟二中在鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜上沉積鋯鈦酸鉛鐵電薄 膜選用溶膠凝膠旋涂法，旋涂速率為4500r/s，旋涂時(shí)間為30s，沉積液濃度 為0.4mol/L為鋯鈦酸鉛鐵電薄膜溶膠。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的制備 方法，其特征在于步驟二中在鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜上沉積鈮-鋯鈦酸鉛鐵電 薄膜選用溶膠凝膠旋涂法，旋涂速率為4500r/s，旋涂時(shí)間為30s，沉積液濃 度為0.3mol/L鈮-鋯鈦酸鉛鐵電薄膜溶膠。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l、 6、 7、 8或9所述的一種高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基 鐵電薄膜的制備方法，其特征在于步驟二中以20 60°C/s的升溫速度升溫至 500 700°C。
全文摘要
一種高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜的制備方法，它涉及一種鈦酸鉛基鐵電薄膜的制備方法。它解決了現(xiàn)有方法制備出的鈦酸鉛基薄膜在晶化過(guò)程中易與電極發(fā)生互擴(kuò)散，在界面處產(chǎn)生缺陷，從而導(dǎo)致鐵電性能下降的問(wèn)題。制備方法一、在基底上沉積鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜；二、在鈦酸鉛鑭鈣系鐵電薄膜上沉積鈦酸鉛系鐵電薄膜，然后進(jìn)行熱處理，即得高鐵電性能復(fù)合鈦酸鉛基鐵電薄膜。本發(fā)明制備過(guò)程中基底中間界面層生成了非連續(xù)的島狀結(jié)構(gòu)，這種非連續(xù)結(jié)構(gòu)的生成增加了鈦酸鉛基鐵電薄膜的形核質(zhì)點(diǎn)，使鐵電薄膜的極化反轉(zhuǎn)更加容易，極大地提高了鐵電性能。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備簡(jiǎn)單及所用原材料價(jià)格低廉、成本低，并易于器件集成，適合于工業(yè)化生成。
文檔編號(hào)B05D1/36GK101607248SQ20091007248
公開(kāi)日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月9日
發(fā)明者李偉力, 費(fèi)維棟, 遲慶國(guó) 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)