一种锆钛酸铅铁电薄膜的制备方法技术

本发明专利技术涉及铁电薄膜与器件制备技术领域，具体涉及一种锆钛酸铅铁电薄膜的制备方法。其通过溶液改性与紫外辐照结合的办法，使得薄膜的烧结温度降低到了500℃以下，解决了现有PZT铁电薄膜烧结温度高，Pb元素容易挥发等缺陷，并达到了与Si集成电路兼容的目的。本发明专利技术采用的制备方法包括以下步骤：1）前驱溶液的制备；2) 凝胶膜的制备；3）PZT凝胶膜的预处理；4）PZT前驱膜的终处理。

【技术实现步骤摘要】
一种锆钛酸铅铁电薄膜的制备方法一、
本专利技术涉及铁电薄膜与器件制备
，具体涉及一种锆钛酸铅铁电薄膜的制备方法。二、
技术介绍
由于铁电体特殊的介电、电光、声光、光折变、非线性光学、热释电和压电性能，是一种极具商业应用前景的材料，因此铁电体的应用很早就引起了物理学界和材料科学界的注意。七十年代以来，由于对铁电体认识的深入，人工铁电材料种类的扩大，微电子集成技术的进步，特别是随着铁电薄膜制备技术的一系列突破，成功地制备出性能优良的铁电薄膜，工作电压可在3-5V，可与Si或GaAs电路集成，铁电薄膜制备工艺与集成电路工艺兼容成为可能，极大地促进了铁电薄膜的制备与器件应用研究的发展，使之在微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域有着广泛的应用前景，成为国际上新型功能材料研究的热点之一。但是如何获得高品质的铁电薄膜，如何让铁电薄膜的制备与集成电路的工艺兼容，是困扰着人们的难题，这在很大程度上限制了铁电材料的应用与发展。近二十年来，随着微纳技术的发展及实际应用的需要，采用低成本的、易于商业化的溶胶凝胶或化学溶液沉积等湿化学法，制备具有各种磁、光、电学特性的薄膜逐渐受到人们重视。采用溶胶凝胶技术制备氧化物纳米薄膜，并形成相应的器件，逐渐成为近年来的研发热点。然而，传统的溶胶-凝胶法制备铁电氧化物薄膜存在一个重要的难题没有克服，即溶胶凝胶法制备的这类铁电薄膜的结晶温度较高，一般都在600℃以上。而这一温度是与当前Si基半导体工艺技术并不兼容（要求500℃以下）。发展新颖的低温溶胶凝胶制备技术，是这类铁电氧化物材料得以在微电子领域应用的关键。铁电材料中，锆钛酸铅（简称PZT）固然具有优良的铁电特性。这一材料具有高剩余极化值，良好的耐疲劳特性，因此，在未来的非挥发存储器中将有很大的应用价值。但溶胶凝胶制备的PZT薄膜，一般都需要600℃以上的结晶温度，如何改进溶液成分，或借助其他措施，降低烧结温度，使之与Si集成电路融合，是溶胶凝胶制备PZT薄膜得以应用必须解决的问题。另外，PZT中含有Pb，在热处理过程中容易挥发，从而造成组分的不均匀，如何改进热处理措施，减少Pb的损失，也是一个重要的难题。三、
技术实现思路
本专利技术为了解决上述
技术介绍
中的不足之处，提供一种锆钛酸铅铁电薄膜的制备方法，其通过溶液改性与紫外辐照结合的办法，使得薄膜的烧结温度降低到了500℃以下，解决了现有PZT铁电薄膜烧结温度高，Pb元素容易挥发等缺陷，并达到了与Si集成电路兼容的目的。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种锆钛酸铅铁电薄膜的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括以下步骤：1）前驱溶液的制备：1.1将醋酸铅溶解在含有溶剂的溶液中，搅拌澄清后获得溶液A；1.2将钛酸丁酯溶液倒入含有溶剂和乙酰丙酮的混合溶液中，搅拌澄清后，获得溶液B；溶液B中，乙酰丙酮和钛酸丁酯的摩尔比为1~2:1；1.3将乙酰丙酮锆溶液倒入含有溶剂和硝酸的混合溶液中，搅拌澄清后，获得溶液C；溶液C中，乙酰丙酮锆和硝酸的摩尔比为1:1；1.4将溶液A，溶液B和溶液C按照Pb:Zr:Ti摩尔比为1:0.52:0.48的比例混合，获得锆钛酸铅（以下简称PZT）前驱溶液；通过调节溶剂用量，使得溶液中Pb,Zr和Ti离子的总浓度控制在0.2~0.4mol/l范围内；2)凝胶膜的制备：利用步骤1）获得的PZT前驱溶液，在镀有Pt、ITO或LaNiO3导电层的Si基底上，通过提拉或旋涂法，制得PZT凝胶膜；3）PZT凝胶膜的预处理：将步骤2）获得的PZT凝胶膜，置于250-300℃的加热板上，利用波长为184-254nm的紫外灯辐照20-50min，获得PZT前驱膜；4）PZT前驱膜的终处理：将步骤3）紫外灯辐照后的PZT前驱膜，置入红外感应加热炉中，快速升温至460-480℃，并保温30分钟，得PZT薄膜；为了增加PZT薄膜的厚度，需重复步骤2），步骤3）及步骤4）5-6次，即可获得晶化的PZT薄膜。所述的步骤1)中所述的溶剂为甲醇或者乙二醇甲醚。所述的步骤3)紫外灯发射的紫外光中，波长184nm的紫外线占10%以上，而波长254nm的紫外线占80%以上。步骤3)中所述的紫外灯与PZT前驱膜的距离保持在1-5cm范围内。步骤4)中所述的PZT前驱膜快速升温速度控制在每秒钟25-50℃范围内。与现有技术相比，本专利技术具有的优点和效果如下：1、在溶液中添加乙酰丙酮为稳定剂，与钛酸丁酯络合，形成了不易水解缩聚的钛金属络合物，从而使得溶液稳定，不发生沉淀。另外，这种钛金属络合物及锆的乙酰丙酮盐对254nm波长的紫外线具有强烈的吸收作用，吸收的能量促进了金属有机物的分解，并形成金属-氧-金属框架，为后续的低温烧结提供了基础。同时，通过在溶液中加入硝酸作为氧化剂，避免了分解后的薄膜缺氧现象的发生。形成了相应的氧化物。总之，本专利技术通过化学溶液组份和添加剂的精确控制，和紫外线辅助照射提供能量，使得原本需要600ºC以上结晶的钛酸铋薄膜的烧结温度降低到了500ºC以下,即实现了Si半导体所能容忍的温度以下。这样，为将来Si基铁电薄膜器件提供了一种新思路。2、由于短波长的紫外线辐照作用，与凝胶薄膜发生光化学反应，分解凝胶膜中的氧离子，而形成臭氧，具有强烈的活性及氧化作用，从而与凝胶膜中的碳发生反应，形成CO2带出薄膜，极大程度地降低了薄膜内碳的残留，从而保障了薄膜的铁电特性。3、PZT薄膜中的Pb具有很强的挥发性，热处理温度越高，挥发的越多，本专利通过短波长的紫外线辐照的作用而降低了烧结温度，从而降低了Pb的挥发性，有效地保证了PZT中Pb与Zr,Ti的化学计量比，从而确保了所得PZT薄膜具有良好的特性。四、附图说明图1PZT薄膜的XRD图；图2PZT薄膜的极化强度与外加电场的关系。五、具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。实施例11）前驱溶液的制备1.1将醋酸铅溶解在含有甲醇的溶液中，搅拌澄清后获得溶液A；1.2将钛酸丁酯溶液倒入含有甲醇和乙酰丙酮的混合溶液中，搅拌澄清后，获得溶液B，溶液B中，乙酰丙酮和钛酸丁酯的摩尔比例1:1；1.3将乙酰丙酮锆溶液倒入含有甲醇和硝酸的混合溶液中，搅拌澄清后，获得溶液C，溶液C中，乙酰丙酮锆和硝酸的摩尔比例1:1；1.4将溶液A，溶液B和溶液C按照Pb:Zr:Ti摩尔比=1:0.52:0.48混合，获得锆钛酸铅（以下简称PZT）前驱溶液，通过调节甲醇用量，使得溶液中Pb,Zr和Ti离子的总浓度为0.25mol/l；2)凝胶膜的制备利用步骤1）获得的PZT前驱溶液，在镀有LaNiO3导电层的Si基底上，通过提拉或旋涂法，制得PZT凝胶膜；3）PZT凝胶膜的预处理将步骤2）获得的PZT凝胶膜，置于300℃的加热板上，利用波长为184-254nm的紫外灯辐照30min，获得PZT前驱膜；4）PZT前驱膜的终处理将步骤3）获得PZT前驱膜，置入红外感应加热炉中，快速升温至480℃，并保温30分钟，得PZT薄膜；为了增加薄膜的厚度，需重复步骤2），步骤3）及步骤4）共5次，即可获得晶化的PZT薄膜。实施例1制备得到的PZT薄膜XRD图参见图1，该PZT是制备在Si基底的LaNiO3(LNO)导电电极之上。从图1可知，实施例1制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锆钛酸铅铁电薄膜的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括以下步骤：1）前驱溶液的制备：     1.1将醋酸铅溶解在含有溶剂的溶液中，搅拌澄清后获得溶液A；1.2将钛酸丁酯溶液倒入含有溶剂和乙酰丙酮的混合溶液中，搅拌澄清后，获得溶液B；溶液B中，乙酰丙酮和钛酸丁酯的摩尔比为 1~2: 1；  1.3将乙酰丙酮锆溶液倒入含有溶剂和硝酸的混合溶液中，搅拌澄清后，获得溶液C；溶液C中，乙酰丙酮锆和硝酸的摩尔比为1: 1；1.4将溶液A，溶液B和溶液C按照Pb:Zr:Ti摩尔比为1:0.52:0.48的比例混合，获得锆钛酸铅（以下简称PZT）前驱溶液；通过调节溶剂用量，使得溶液中Pb,Zr和Ti离子的总浓度控制在0.2~0.4mol/l范围内；2) 凝胶膜的制备：利用步骤1）获得的PZT前驱溶液，在镀有Pt、ITO或LaNiO3导电层的Si基底上，通过提拉或旋涂法，制得PZT凝胶膜；3）PZT凝胶膜的预处理：将步骤2）获得的PZT凝胶膜，置于250‑300℃的加热板上，利用波长为184‑254nm的紫外灯辐照20‑50min，获得PZT前驱膜；4）PZT前驱膜的终处理：将步骤3）紫外灯辐照后的PZT前驱膜，置入红外感应加热炉中，快速升温至460‑480℃，并保温30分钟，得PZT薄膜；为了增加PZT薄膜的厚度，需重复步骤2），步骤3）及步骤4）5‑6次，即可获得晶化的PZT薄膜。...

【技术特征摘要】
1.一种锆钛酸铅铁电薄膜的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括以下步骤：1）前驱溶液的制备：1.1将醋酸铅溶解在含有溶剂的溶液中，搅拌澄清后获得溶液A；1.2将钛酸丁酯溶液倒入含有溶剂和乙酰丙酮的混合溶液中，搅拌澄清后，获得溶液B；溶液B中，乙酰丙酮和钛酸丁酯的摩尔比为1~2:1；1.3将乙酰丙酮锆溶液倒入含有溶剂和硝酸的混合溶液中，搅拌澄清后，获得溶液C；溶液C中，乙酰丙酮锆和硝酸的摩尔比为1:1；1.4将溶液A，溶液B和溶液C按照Pb:Zr:Ti摩尔比为1:0.52:0.48的比例混合，获得锆钛酸铅前驱溶液，所述的锆钛酸铅简称PZT；通过调节溶剂用量，使得溶液中Pb,Zr和Ti离子的总浓度控制在0.2~0.4mol/L范围内；2)凝胶膜的制备：利用步骤1）获得的PZT前驱溶液，在镀有Pt、ITO或LaNiO3导电层的Si基...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙喁喁，陈源清，郭巧琴，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61