一种负热膨胀锆钛酸铅薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种负热膨胀锆钛酸铅薄膜的制备方法，步骤为：将SrTiO3衬底作超声清洗烘干，粘于加热托表面；利用激光对Pb(Zr0.2Ti0.8)O3靶材表面进行预溅射清理；将上述靶材放置进脉冲激光沉积腔体内，抽真空达到1.5×10‑3～1×10‑4Pa，加热温度达到560～600℃，并通氧气10Pa～15Pa；激光溅射，于衬底上得到锆钛酸铅薄膜；本发明专利技术采用脉冲激光沉积法制备薄膜，通过在沿c轴外延的SrTiO3衬底上通过调控激光能量密度诱导出不同微结构的锆钛酸铅薄膜，得到具有不同大小负热膨胀系数的锆钛酸铅薄膜。本发明专利技术操作简单，成本低廉，制作速度快，薄膜性能稳定优异，实用性强。

Preparation method of negative thermal expansion lead zirconate titanate thin film

The invention discloses a preparation method of negative thermal expansion lead zirconate titanate film. The steps are as follows: the SrTiO3 substrate is cleaned and dried by ultrasonic wave and adhered to the heating support surface; the Pb (Zr0.2Ti0.8) O3 target surface is pre-sputtered and cleaned by laser; the target material is placed in the pulse laser deposition chamber, and the vacuum is up to 1.5 *10_3-1. Lead zirconate titanate thin films with different microstructures are prepared by pulsed laser deposition and induced by adjusting laser energy density on the SrTiO3 substrate epitaxial along the C axis. Lead zirconate titanate thin films with different negative thermal expansion coefficients. The invention has the advantages of simple operation, low cost, fast production speed, stable film performance and strong practicability.

【技术实现步骤摘要】
一种负热膨胀锆钛酸铅薄膜的制备方法
本专利技术涉及一种负热膨胀锆钛酸铅薄膜的制备方法，属于电子薄膜

技术介绍
热膨胀是固态化合物研究的一个重要课题。自从1996年Sleightet.al等人在ZrW2O8中发现各向同性的负热膨胀特性(αv＝-2.73×10-5K-1，0～300K)后，固体氧化物领域负热膨胀的研究已经变成热门研究课题。负热膨胀材料是指材料自身温度升高时，体积反而会被压缩的新奇特性。因热膨胀系数具有可加性，使该材料可与其他材料制成可控热膨胀甚至零膨胀材料，因此，负热膨胀材料在通信、电子、精密机械和燃料电池等领域具有广泛的应用前景。例如国外已经有人采用ZrW2O8复合材料制作微晶片的封装材料，不仅提高了封装材料的操作温度，而且延长了该材料的疲劳寿命。目前，关于负热膨胀材料的研究主要集中在高分子材料，纳米材料以及氧化物陶瓷中，但是随着器件集成化、微型化程度越来越高，此类材料已经远不能满足目前发展需要。钙钛矿结构锆钛酸铅材料具有独特的结构和物性，如准同型相界，压电铁电特性优异，近年来一直是氧化物薄膜领域的研究热点。锆钛酸铅已经被广泛应用在逻辑器件，非易失存储，制动器和传感器以及电子-光学器件领域，这些器件都容易自身受热发生结构和性能的改变。器件化锆钛酸铅薄膜热膨胀系数都是正的，难以满足现阶段工业需求，因此制备出具有负热膨胀特性锆钛酸铅薄膜具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的电子器件长时间工作容易自身发热产生正的热膨胀系数，从而发生变形，断裂等问题，提出一种负热膨胀锆钛酸铅薄膜的制备方法。本专利技术的一种负热膨胀锆钛酸铅薄膜的制备方法，所述方法包括：(1)将SrTiO3衬底依次放入丙酮、乙醇、超纯水中作超声清洗，后烘干并粘于加热托表面；(2)利用激光对Pb(Zr0.2Ti0.8)O3靶材表面进行预溅射清理；(3)将上述步骤(1)中的衬底和步骤(2)中的靶材放置进脉冲激光沉积腔体内，对腔体进行真空作业，使其真空度达到1.5×10-3～1×10-4Pa，对加热托进行加热，使其温度达到560～600℃，后对腔体作通氧作业，氧气压强为10Pa～15Pa，此时已完成薄膜制备的环境准备工作；(4)调整脉冲激光机的输出激光能量对靶材进行溅射作业，于SrTiO3衬底上得到锆钛酸铅薄膜；(5)对步骤(4)中所得锆钛酸铅薄膜进行变温XRD测试，得到各个温度下的晶格常数afilm、cfilm；(6)根据步骤(5)中所得晶格常数，按公式(1)计算得到锆钛酸铅薄膜在某一温度下的热膨胀系数；式中αV为热膨胀系数，V为某一温度下薄膜晶格体积，V0表示室温晶格体积，T0为温度起始点，其中V＝afilm2×cfilm；步骤(1)所述SrTiO3衬底沿c轴外延，晶格常数为小于锆钛酸铅靶材晶格常数，且晶格常数的大小误差范围为步骤(2)所述激光输出能量为200～350mJ，激光脉宽为10ns，激光频率2～5Hz；步骤(4)所述激光脉宽为10ns，激光能量200～350mJ，对应激光能量密度为1.5-7.5J/cm2，激光频率2～5Hz，沉积时长为5～20min；步骤(5)中锆钛酸铅薄膜的负膨胀系数为-1.78×10-5～-4.39×10-5；本专利技术采用脉冲激光沉积技术，在沿c轴外延的SrTiO3衬底、激光能量为200～350mJ，对应激光能量密度为1.5-7.5J/cm2，制备出具有负热膨胀特性的锆钛酸铅薄膜，其原理是在SrTiO3衬底上生长时薄膜受到压缩应变作用，激光能量为200～350mJ可以为等离子体提供很大的动能，同时辅以少许降低氧压(10～15Pa)可以在锆钛酸铅薄膜中诱导出缺陷偶极子，缺陷偶极子的存在可以改变锆钛酸铅薄膜的微观结构和铁电特性，从而在宏观上得到具有负热膨胀特性的锆钛酸铅薄膜。本专利技术有益效果：本专利技术制备的薄膜表面粗糙度低，工艺简单，成本低廉，效率高，可操作性强，所得的锆钛酸铅薄膜负热膨胀材料在电子器件领域具有很大的潜在应用价值。附图说明图1是实施例1到实施例4的锆钛酸铅薄膜XRD图；图2是实施例1到实施例4的锆钛酸铅薄膜体积随温度变化图；具体实施方式下面通过实施例对本专利技术进行详细描述，这些实施例只是由于实例性说明的目的，而并非用于限定本专利技术。实施例1(1)将SrTiO3衬底依次放入丙酮、乙醇、超纯水中作超声清洗，后烘干并粘于加热托表面；(2)利用激光对Pb(Zr0.2Ti0.8)O3靶材表面进行预溅射清理，设定激光输出能量为200mJ，激光脉宽为10ns，激光频率3Hz；(3)将上述步骤(1)中的衬底和步骤(2)中的靶材放置进脉冲激光沉积腔体内，对腔体进行真空作业，使其真空度达到1×10-4Pa，对加热托进行加热，使其温度达到600℃，温度达到后对脉冲激光沉积系统的腔体进行通氧，氧气压强为10Pa；(4)调整脉冲激光机的输出激光能量对靶材进行溅射作业，设定激光输出能量为200mJ，对应激光能量密度为1.5J/cm2，激光脉宽为10ns，激光频率3Hz；沉积时长为5min，于SrTiO3衬底上得到厚度为12nm的锆钛酸铅薄膜；(5)对所得薄膜样品进行XRD测试分析，计算出晶格常数为(6)根据步骤(5)中所得晶格常数，按公式(1)计算得到锆钛酸铅薄膜在某一温度下的热膨胀系数；式中αV为热膨胀系数，V为某一温度下薄膜晶格体积，V0表示室温晶格体积，T0为温度起始点，其中V＝afilm2×cfilm，得到热膨胀系数αv＝-1.78×10-5K-1(300K-900K)；实施例2(1)将SrTiO3衬底依次放入丙酮、乙醇、超纯水中作超声清洗，后烘干并粘于加热托表面；(2)利用激光对Pb(Zr0.2Ti0.8)O3靶材表面进行预溅射清理，设定激光输出能量为250mJ，激光脉宽为10ns，激光频率3Hz；(3)将上述步骤(1)中的衬底和步骤(2)中的靶材放置进脉冲激光沉积腔体内，对腔体进行真空作业，使其真空度达到1.0×10-3Pa，对加热托进行加热，使其温度达到600℃，温度达到后对脉冲激光沉积系统的腔体进行通氧，氧气压强为10Pa；(4)调整脉冲激光机的输出激光能量对靶材进行溅射作业，设定激光输出能量为250mJ，对应激光能量密度为3J/cm2，激光脉宽为10ns，激光频率3Hz；沉积时长为5min，于SrTiO3衬底上得到厚度为15nm的锆钛酸铅薄膜；(5)对所得薄膜样品进行XRD测试分析，计算出晶格常数为(6)根据步骤(5)中所得晶格常数，按公式(1)计算得到锆钛酸铅薄膜在某一温度下的热膨胀系数；式中αV为热膨胀系数，V为某一温度下薄膜晶格体积，V0表示室温晶格体积，T0为温度起始点，其中V＝afilm2×cfilm,得到热膨胀系数αv＝-3.26×10-5K-1(300K-1100K)；实施例3与实施例1不同的是：(1)将SrTiO3衬底依次放入丙酮、乙醇、超纯水中作超声清洗，后烘干并粘于加热托表面；(2)利用激光对Pb(Zr0.2Ti0.8)O3靶材表面进行预溅射清理，设定激光输出能量为300mJ，激光脉宽为10ns，激光频率3Hz；(3)将上述步骤(1)中的衬底和步骤(2)中的靶材放置进脉冲激光沉积腔体内，对腔体进行真空作业，使其真空度达到1.0×10-3Pa，对加热托进行加热，使本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负热膨胀锆钛酸铅薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括：(1)将SrTiO3衬底依次放入丙酮、乙醇、超纯水中作超声清洗，后烘干并粘于加热托表面；(2)利用激光对Pb(Zr0.2Ti0.8)O3靶材表面进行预溅射清理；(3)将上述步骤(1)中的衬底和步骤(2)中的靶材放置进脉冲激光沉积腔体内，对腔体进行真空作业，使其真空度达到1.5×10‑3～1×10‑4Pa，对加热托进行加热，使其温度达到560～600℃，后对腔体作通氧作业，氧气压强为10Pa～15Pa，此时已完成薄膜制备的环境准备工作；(4)调整脉冲激光机的输出激光能量对靶材进行溅射作业，于SrTiO3衬底上得到锆钛酸铅薄膜；(5)对步骤(4)中所得锆钛酸铅薄膜进行变温XRD测试，得到各个温度下的晶格常数afilm、cfilm；(6)根据步骤(5)中所得晶格常数，按公式(1)计算得到锆钛酸铅薄膜在某一温度下的热膨胀系数；

【技术特征摘要】
1.一种负热膨胀锆钛酸铅薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括：(1)将SrTiO3衬底依次放入丙酮、乙醇、超纯水中作超声清洗，后烘干并粘于加热托表面；(2)利用激光对Pb(Zr0.2Ti0.8)O3靶材表面进行预溅射清理；(3)将上述步骤(1)中的衬底和步骤(2)中的靶材放置进脉冲激光沉积腔体内，对腔体进行真空作业，使其真空度达到1.5×10-3～1×10-4Pa，对加热托进行加热，使其温度达到560～600℃，后对腔体作通氧作业，氧气压强为10Pa～15Pa，此时已完成薄膜制备的环境准备工作；(4)调整脉冲激光机的输出激光能量对靶材进行溅射作业，于SrTiO3衬底上得到锆钛酸铅薄膜；(5)对步骤(4)中所得锆钛酸铅薄膜进行变温XRD测试，得到各个温度下的晶格常数afilm、cfilm；(6)根据步骤(5)中所得晶格常数，按公式(1)计算得到锆钛酸铅薄膜在某一温度下的热膨胀系数；式中αV为热膨胀系...

【专利技术属性】
技术研发人员：祁亚军，管昌新，章天金，梁坤，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42