镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜及其制备方法和应用，该镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜的制备方法为S1：将Bi2O3、Fe2O3和Ga2O3混合后烧结压制成镓掺杂铁酸铋块；S2：将镓掺杂铁酸铋沉积在衬底上得到镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜。该镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜可用于制作电容器。本发明专利技术将镓掺杂到铁酸铋中，由于镓原子替代铁原子，使氧八面体畸变程度增大，c轴方向的一个氧原子向中心镓原子靠拢，而另一个则远离中心镓原子，氧八面体向氧四面锥转变，从而拉长c轴方向长度，使超四方相稳定化，使铁酸铋超四方相薄膜不受薄膜厚度、衬底应变、缓冲层等因素的限制。

Ga-doped Bismuth Ferrate Ultra-tetragonal Epitaxy Films and Their Preparation and Application

The invention provides a gallium-doped bismuth ferrite ultratetragonal epitaxy film and its preparation method and application. The preparation method of the gallium-doped bismuth ferrite ultratetragonal epitaxy film is S1: Ga-doped bismuth ferrite block is sintered after mixing Bi2O3, Fe2O3 and Ga2O3; S2: Ga-doped bismuth ferrite supertetragonal epitaxy film is obtained by depositing Ga-doped bismuth ferrite on the substrate. The gallium doped bismuth ferrite ultratetragonal epitaxy film can be used to fabricate capacitors. In the invention, gallium is doped into bismuth ferrite, because gallium atom replaces iron atom, the distortion degree of oxygen octahedron increases, one oxygen atom in the c-axis direction closes to the central gallium atom, while the other is far away from the central gallium atom, and the oxygen octahedron transforms to the oxygen tetrahedral cone, thereby lengthening the length of the c-axis direction, stabilizing the ultra-tetragonal phase, and making the bismuth ferrite ultra-tetrahedral phase film not subject to film thickness Restrictions of substrate strain, buffer layer and other factors.

【技术实现步骤摘要】
镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜及其制备方法和应用
本专利技术属于半导体薄膜材料
，尤其涉及一种镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜及其制备方法和应用。
技术介绍
随着大数据、物联网、人工智能等新兴电子信息产业发展迅猛，人们对新一代高密度、低功耗、多功能信息存储技术的需求日益增加。目前商用的硅基芯片的存储密度已接近摩尔定律的极限，因此急需发展基于新材料、新机理的存储器件。多铁材料是一类兼具铁电性(反铁电性)和铁磁性(反铁磁性)的多功能材料，可实现电和磁之间的相互调控，比如电场调控磁矩或磁场调控极化。因此，多铁材料有望用于高密度、低功耗、高速、长寿的磁电耦合存储器件。铁酸铋(BiFeO3，简写为BFO)是目前研究最热的多铁材料之一，因为它兼具铁电性和反铁磁性，且铁电居里温度(～1100K)和反铁磁尼尔温度(～653K)均远高于室温。BFO在室温下的稳定相是菱方相，c轴与a轴的晶格常数比(c/a比)接近1，在[001]方向的极化值约为60μC/cm2。此外，BFO还具有一种超四方相，c/a比可达到1.2以上，在[001]方向的极化值高达150μC/cm2。对信息存储器件而言，更大的极化值意味着更优的存储性能，因此BFO的超四方相备受关注。目前获取BFO超四方相的方法大多通过应变，比如在铝酸镧(LaAlO3，简写为LAO)衬底上生长BFO薄膜，利用衬底提供的应变可获得超四方相。然而随着薄膜厚度增加，应变会弛豫，导致超四方相向更稳定的菱方相转变，因此利用应变通常无法在50纳米厚度以上的BFO薄膜中获得单相超四方相，极大地限制其应用。另外一种使BFO超四方相稳定化的方法是插入β-Bi2O3缓冲层，但Bi2O3是导电相且可渗入BFO层，造成严重的漏电问题。因此现有技术尚无法获得稳定、极化值大、漏电小的BFO基超四方相薄膜。
技术实现思路
基于此，本专利技术提供一种镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜及其制备方法，所述镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜稳定性好、极化值大、漏电小。本专利技术还提供所述镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜的制备方法，包括以下步骤：S1：将Bi2O3、Fe2O3和Ga2O3混合后烧结压制成镓掺杂铁酸铋(以下简写为BFGO)块；S2：将BFGO沉积在衬底上得到镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜(以下简称BFGO薄膜)。相对于现有技术，本专利技术将镓掺杂到铁酸铋中，由于镓原子替代铁原子，使氧八面体畸变程度增大，c轴方向的一个氧原子向中心镓原子靠拢，而另一个则远离中心镓原子，氧八面体向氧四面锥转变，从而拉长c轴方向长度，使超四方相稳定化，使BFO超四方相薄膜不受薄膜厚度、衬底应变、缓冲层等因素的限制。所制得的镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜稳定性高、极化值大、漏电小。进一步，步骤S1中所述Bi2O3、Fe2O3和Ga2O3的摩尔比为1.1:1-x:x，其中0.4≤x≤0.5。其中Bi2O3过量可10％左右可充分抵消后续烧结过程中的挥发。进一步，所述镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜化学式为BiFe1-xGaxO3，其中0.4≤x≤0.5。进一步，步骤S1中所述烧结压制过程具体为，将混合物在635～665℃下预烧11～13h，然后添加粘结剂进行压靶，最后在815～845℃下烧2～2.5h。进一步，步骤S2中所述沉积方法采用磁控溅射方法，在真空10-5torr以下、温度为600～620℃条件下通入14～15mtorr体积比为14:13～13.3的Ar/O2混合气体，使等离子体轰击镓掺杂铁酸铋块，让镓掺杂铁酸铋原子沉积到衬底上。进一步，步骤S2中所述沉积方法采用脉冲沉积方法，在温度为645～650℃、氧压为15～15.5Pa的条件下使激光轰击镓掺杂铁酸铋块，让镓掺杂铁酸铋原子沉积到衬底上。进一步，所述衬底为(001)取向的NdCaAlO4、LaAlO3、SrTiO3单晶衬底中的一种。本专利技术还提供一种镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜，该薄膜包括Bi、Fe、Ga、O，其中Bi、Fe、Ga、O的摩尔比为1：(0.5-0.6)：(0.4-0.5)：3。本专利技术还提供一种应用上述镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜的电容器，该电容器包括衬底以及依次层叠在衬底上的底电极、镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜和上电极，所述镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜的化学式为BiFe1-xGaxO3，其中0.4≤x≤0.5。进一步，所述衬底为(001)取向的NdCaAlO4、LaAlO3、SrTiO3单晶衬底中的一种。进一步，所述底电极为LaNiO3、Ca0.96Ce0.04MnO3、La0.7Sr0.3MnO3中的一种，所述上电极为Au、Pt、Co中的一种。附图说明图1为实施例1BFGO薄膜的表征图，其中图1a为在NCAO衬底上生长的单层BFGO薄膜的X射线衍射图；图1b为实施例1BFGO薄膜的倒空间扫描图；图1c和图1d分别是不同功率和时间下生长的BFGO薄膜的厚度；图2为实施例2BFGO薄膜的表征图，其中图2a为在LAO衬底上生长的单层BFGO薄膜的X射线衍射图；图2b为实施例2BFGO薄膜的倒空间扫描图；图3为电容器的结构示意图；图4为电容器的X射线衍射图；图5为电容器的电滞回线。具体实施方式本专利技术首先将镓氧化物掺杂到BFO中制得镓掺杂铁酸铋靶材，再将靶材沉积到衬底上即可制得镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜。通过在BFO中掺杂镓使BFO超四方相薄膜不受薄膜厚度、衬底应变、缓冲层等因素的限制，提高BFO超四方相薄膜的稳定性。下面通过具体实施例详细说明本专利技术的技术方案。实施例1本专利技术所述镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜通过以下方法制得：S1：将Bi2O3、Fe2O3和Ga2O3混合后烧结压制成BFGO块。按照摩尔比为1.1:0.6:0.4的比例称取高纯度的Bi2O3、Fe2O3和Ga2O3粉末共60g，混合均匀后研磨，然后在650℃下预烧12h。预烧结束后再次进行研磨和球磨，添加PVA粘结剂后进行压靶。压制成型后在830℃下烧结2h，得到BFGO块。S2：将BFGO沉积在衬底上得到BFGO薄膜。以BFGO块为靶材，将其放入磁控溅射仪腔内的靶托中，再在腔内样品台上放入(001)取向的NdCaAlO4(简写为NCAO)单晶衬底，并控制靶材与衬底距离为10cm。将腔体封闭并抽真空至10-5torr以下，然后以20℃/min的速度将腔内样品台温度升至610℃，同时向腔内通入15mtorr体积比为14:13的Ar/O2的混合气体。启动磁控溅射仪的动力源，设定溅射功率为180～450W，沉积时间为2～5h，使等离子体轰击靶材，在NCAO衬底沉积得到BFGO薄膜。<表1>请参看表1，表中列出了BFGO薄膜的X射线光电子能谱(简称XPS)分析的结果。根据XPS分析结果可知BFGO薄膜中Bi的原子百分含量为19.93％，Fe的原子百分含量为12.01％，Ga的原子百分含量为8.26％，Bi:Fe:Ga:O～1:0.6:0.4:3，可以得出BFGO薄膜的化学式为BiFe0.6Ga0.4O3。请参看图1，其中图1a是在NCAO衬底上生长的单层BFGO薄膜的X射线衍射图，从图中可以看出在14.4°、29.4°、44.7°、61.1°、78.5°分别出现了NCAO的(002)、(004)、(006)、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：S1：将Bi2O3、Fe2O3和Ga2O3混合后烧结压制成镓掺杂铁酸铋块；S2：将镓掺杂铁酸铋沉积在衬底上得到镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：S1：将Bi2O3、Fe2O3和Ga2O3混合后烧结压制成镓掺杂铁酸铋块；S2：将镓掺杂铁酸铋沉积在衬底上得到镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜。2.根据权利要求1所述镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜的制备方法，其特征在于：所述Bi2O3、Fe2O3和Ga2O3的摩尔比为1.1:1-x:x，其中0.4≤x≤0.5。3.根据权利要求2所述镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜的制备方法，其特征在于：所述镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜化学式为BiFe1-xGaxO3，其中0.4≤x≤0.5。4.根据权利要求1所述镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述烧结压制过程具体为，先在635～665℃下预烧11～13h，然后添加粘结剂进行压靶，最后在815～845℃下烧2～2.5h。5.根据权利要求1所述镓掺杂铁酸铋超四方相外延薄膜的制备方法，其特征在于：步骤S2中所述沉积方法采用磁控溅射方法，在真空10-5torr以下、温度为600～620℃条件下通入14～15mtorr体积比为14:13～13.3的Ar/O2混合气体，使等离子体轰击镓掺杂铁酸铋块，让镓掺杂铁...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊贞，谭政伟，田俊江，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44