一种c轴择优取向的铌酸铋钙薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种c轴择优取向的铌酸铋钙薄膜及其制备方法。所述c轴择优取向的铌酸铋钙薄膜的制备方法为脉冲激光沉积法，包括：将CaBi2Nb2O9靶材放入脉冲激光沉积系统腔体中，调节其与衬底的距离为30～70mm，在一定真空度下加热至600～800℃；向腔体内通入氧气使腔体压力维持在固定值，用脉冲激光对CaBi2Nb2O9陶瓷靶材进行烧蚀，退火降温后得到铌酸铋钙薄膜。膜。膜。

【技术实现步骤摘要】
一种c轴择优取向的铌酸铋钙薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于薄膜材料的制备领域，尤其涉及一种c轴择优取向的铌酸铋钙薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]压电材料是一种可以实现电能和机械能相互转换的信息功能材料，广泛应用于航天航空、超声探测、水声探测等领域。并且随着小型化、集成化、多功能化的微机电系统(MEMS)的发展以及电子器件概念上的突破，极大地推动了块体材料向薄膜材料的研究转变，促使压电薄膜材料成为了材料领域一大研究热点。在一些工业领域里，比如航空航天、核电、汽车等领域，需要器件在高温条件下仍具备优异的压电性能和良好的热稳定性。其中铌酸铋钙具有高的居里温度(943℃)和较低的老化率在该领域中具有较大的应用潜力。
[0003]目前，仅在脉冲激光沉积、磁控溅射、聚合物前驱体三种方法制备CBN薄膜方面有少量研究，制备工艺尚不成熟。其中，A.Z.等人利用聚合物前驱体法成功制备了CBN薄膜(Mater.Chem.Phys.41,2006:1461
‑
1467)，但该方法制备的薄膜致密性差，难以制备高择优取向薄；Jun Ouyang等人利用磁控溅射法通过选择匹配度较好的氧化物半导体单晶衬底、缓冲层以及氧化物导电底电极进行CBN薄膜取向调控，并获得中国专利(CN105296946A)，但该方法相对复杂，成本较高，与硅基半导体兼容性差。Cho.Desu.课题组利用脉冲激光沉积技术制备了c轴择优取向的CBN薄膜(Phys.Stat.Sol.(a)161,1997:371)，但其主要是使用n型或者p型单晶Si为衬底，并通过自旋刻蚀除去表面SiO2氧化层并使衬底处于特定的终止面，该方法需要对衬底进行相对较严苛的处理，工艺复杂；并且高温下直接在单晶Si衬底上生长薄膜，元素间易发生相互扩散，存在表面缺陷，导致薄膜质量差。

技术实现思路

[0004]为解决CBN薄膜制备困难、难以获得纯相以及生长不可控等问题，本专利技术提供了一种c轴择优取向的铌酸铋钙薄膜及其制备方法。
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种c轴择优取向的铌酸铋钙(CBN)薄膜的制备方法，所述方法为脉冲激光沉积法，包括：将CaBi2Nb2O9靶材放入脉冲激光沉积系统腔体中，调节其与靶材距离为30～70mm，在一定真空度下加热至600～800℃；向腔体内通入氧气使腔体压力维持在固定值，用脉冲激光对CaBi2Nb2O9陶瓷靶材进行烧蚀，得到铌酸铋钙薄膜。
[0006]优选地，所述CaBi2Nb2O9靶材按照CaBi2Nb2O9分子式的化学计量比配料，并使Bi过量2.5％～10％摩尔比。
[0007]本专利技术提供了一种利用脉冲激光沉积法制备CBN薄膜及取向调控方法，通过选择合适的工艺参数制备出了相组成单一的CBN薄膜。并且参数易调整、制备简单，为制备出良好的CaBi2Nb2O9高温压电薄膜材料提供了新途径。本专利技术还通过设计非化学计量比靶材，增加靶材挥发性元素Bi的含量，有助于减少元素挥发带来的薄膜化学组成偏析问题。而且设
计Bi过量，在薄膜制备过程中，调节氧压、靶间距等参数时，制备窗口相对大一些。但是当Bi过量超过10％摩尔比时，可能会产生过量Bi导致的杂相生成，不利于薄膜的制备。
[0008]优选地，所述CaBi2Nb2O9靶材由CaCO3、Bi2O3、Nb2O5通过固相法烧结而成，烧结的温度为1050～1200℃，保温时间1～3h。
[0009]优选地，所述的衬底为Pt/Ti/SiO2/Si衬底或单晶衬底。在Pt/Ti/SiO2/Si上生长，存在SiO2缓冲层，可有效阻碍Si元素的扩散，制备的薄膜质量相对较好。更优选地，单晶衬底选自SrTiO3、LaAlO3、MgO单晶中的一种。
[0010]优选地，所述背景真空度小于10
‑6mbar。
[0011]优选地，所述腔体压力维持在0.08mbar～0.5mbar。较低氧压会造成氧化物中形成大量的氧空位缺陷，改变薄膜的本征物理性质；氧分压过高，氧气分子对于等离体羽辉粒的碰撞散射效应会极大削弱粒子能量，此时达到衬底表面的粒子具有较弱的扩散效应，导致薄膜最终形成较差的微结构。同时高浓度氧气对于等离子羽辉的碰撞散射效应会降低薄膜的生长速度。
[0012]优选地，所述脉冲激光能量密度为2～5J/cm2，频率为2～8Hz，脉冲次数为5000～30000次。
[0013]优选地，铌酸铋钙薄膜沉积完成后，在氧气氛围内保温一定时间，自然冷却至室温，得到所述铌酸铋钙薄膜；其中所述氧气氛围的压力为100mbar～500mbar；所述保温时间为10～60min。保温过程属于薄膜退火过程，主要是为了使得薄膜生长充分，结晶性能改善；维持压力主要是为了减少低氧压下薄膜沉积过程中产生的氧空位。
[0014]第二方面，本专利技术提供了一种上述脉冲激光沉积法制备的c轴择优取向的铌酸铋钙(CBN)薄膜，所述单相铌酸铋钙薄膜组分呈岛状生长。岛状生长主要指等离子体羽辉中粒子岛状成核逐渐形成薄膜，微观上表现为颗粒状晶粒形貌。
[0015]优选地，所述薄膜厚度为50～300nm。对铁电压电薄膜而言，其性能存在尺寸效应，过薄对性能存在抑制。薄膜过厚，缺陷增多，薄膜质量下降。
[0016]有益效果：
[0017]本专利技术所述脉冲激光沉积(PLD)法制备铌酸铋钙薄膜及取向调控的方法，通过设计过量Bi的CBN靶材，减少沉积过程中Bi挥发带来的生长窗口过小的影响，增大工艺参数的可调性，并调节激光能量、沉积氧压、靶间距，使其相互协同，调控等离子体羽辉中粒子数量、密度、动能等，使得到达衬底表面的粒子热力学能与动能相匹配，制备出了一种岛状生长的c轴择优取向(取向度f
(00l)
>0.75)的CBN薄膜，推动了CBN薄膜产业化。
附图说明
[0018]图1示出本专利技术实施例1中所制备CBN薄膜的XRD图；由图可知，其衍射峰与CBN标准PDF卡片一致，表现出纯CBN相结构，各个取向衍射峰均存在，晶粒随机取向。
[0019]图2示出本专利技术实施例1中所制备CBN薄膜的AFM图及3D图；可以看出CBN薄膜呈现颗粒状晶粒，为岛状生长。
[0020]图3示出本专利技术实施例1中所制备CBN薄膜表面及断面的SEM图；可以看出，CBN薄膜表面致密，晶粒均匀，薄膜与衬底界面结合紧密。
[0021]图4示出本专利技术实施例2中所制备(001)择优取向CBN薄膜的XRD图，由图可知，CBN
薄膜无第二相产生，为纯相结构，仅存在(001)和(200)/(020)峰，表现出高度c轴择优取向。
[0022]图5示出本专利技术实施例2中所制备(001)择优取向CBN薄膜的AFM图及3D图；可以看出，CBN薄膜呈现出片状晶粒，与c轴择优取向结果一致，表面致密。
[0023]图6示出本专利技术中实施例3所制备CBN薄膜的XRD图；可以看出，CBN薄膜存在(111)、(113)、(115)、(200)/(020)、(220)等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种c轴择优取向的铌酸铋钙薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法为脉冲激光沉积法，包括：将CaBi2Nb2O9靶材放入脉冲激光沉积系统腔体中，调节其与衬底的距离为30～70mm，在一定真空度下加热至600～800℃；向腔体内通入氧气使腔体压力维持在固定值，用脉冲激光对CaBi2Nb2O9陶瓷靶材进行烧蚀，退火降温后得到铌酸铋钙薄膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述CaBi2Nb2O9靶材按照CaBi2Nb2O9分子式的化学计量比配料，并使Bi过量2.5%～10%摩尔比。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述CaBi2Nb2O9靶材由CaCO3、Bi2O3、Nb2O5通过固相法烧结而成，烧结的温度为1050～1200℃，保温时间1～3h。4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述的衬底为Pt/Ti/SiO2/Si衬底或单晶衬底，优选地，所述单晶衬底选自SrTiO3、LaAlO3、MgO单晶中...

【专利技术属性】
技术研发人员：董显林，李宜冠，周志勇，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：