控制锆钛酸铅铁电薄膜择优取向的方法技术

本发明专利技术是提供一种修正的溶胶－凝胶技术，通过不同技术控制锆钛酸铅铁电薄膜的取向程度，探索制备具有高度择优取向钙钛矿结构铁电薄膜的方法。本发明专利技术：（１）通过不同的预处理方法，即常规热处理和快速热处理，可以得到程度不同的择优取向。（２）选用不同工艺制备的Ｐｔ／Ｔｉ底电极，即直流溅射和真空蒸发，可以得到程度不同的择优取向。（３）采用不同的衬底结构来控制锆钛酸铅铁电薄膜的择优取向方向。即在Ｐｔ（１１１）／Ｔｉ／ＳｉＯ↓［２］／Ｓｉ衬底上的锆钛酸铅铁电薄膜以（１１０）方向择优取向；在ＬＮＯ（１００）／Ｓｉ和ＬＮＯ／Ｐｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ↓［２］／Ｓｉ衬底上的铁电薄膜以（１００）方向择优取向。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子材料与器件
，具体为一种采用修正的溶胶-凝胶技术，制备具有高度取向钙钛矿结构的锆钛酸铅铁电薄膜的方法。现有技术锆钛酸铅铁电薄膜具有高介电常数、大机电耦合系数，并具有热释电、铁电、光电及非线性光学等效应。在非挥发铁电随机存储器(FRAM)、铁电动态随机存取存储器(DRAM)、铁电场效应晶体管(FFET)、热释电红外探测器、声表面波(SAW)器件、光开关、光调制器、二次谐波发生器和高容量电容器等器件中均有重要的应用。与没有择优取向的多晶薄膜相比，具有高度取向的铁电薄膜具有高介电常数、高饱和极化强度、易极化、高热释电系数等特点，因此如何在硅衬底上控制锆钛酸铅铁电薄膜的取向程度，从而得到具有高度取向钙钛矿结构的铁电薄膜是人们所期待的。通常情况下，采用化学气相沉积(MOCVD)、激光闪蒸(PLD)等方法制备的铁电薄膜具有较好的取向和较高的致密度。其主要原因在于薄膜的沉积过程中，是以分子层或原子层的形式，连续不断地一层接一层的沉积，从而比较容易以外延的方式形成高度取向的薄膜。采用MOCVD方法的主要困难在于化学气相沉积源难以获取；薄膜材料的化学计量比难以准确控制；设备昂贵。采用PLD方法的困难主要在于难以大面积成膜；由于是在比较低的氧分压下成膜的，其氧缺陷难以消除，影响薄膜的性能。而溶胶-凝胶方法以其化学计量比控制准确、成膜面积大且均匀、工艺过程温度低、设备简单等优势可以够弥补以上不足，但在制备高度取向铁电薄膜方面相比MOCVD和PLD方法仍存在一定困难。虽然目前有通过降低前驱体溶液的浓度来制备具有择优取向的铁电薄膜，但这样容易使工艺过程太长、薄膜致密性降低。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提供一种修正的溶胶-凝胶技术，通过不同技术控制锆钛酸铅铁电薄膜的取向程度，探索制备具有高度择优取向钙钛矿结构铁电薄膜的方法。本专利技术(1)通过不同的预处理方法，即常规热处理和快速热处理，可以得到程度不同的择优取向。实验证明快速热处理方法得到铁电薄膜的择优取向程度高于常规热处理法得到的薄膜。(2)选用不同工艺制备的Pt/Ti底电极，即直流溅射和真空蒸发，可以得到程度不同的择优取向。实验证明在直流溅射法制备的Pt/Ti底电极上制备的铁电薄膜的择优取向程度，高于在真空蒸发法得到的Pt/Ti底电极上制备的薄膜。(3)采用不同的衬底结构来控制锆钛酸铅铁电薄膜的择优取向方向。实验证明在Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上的锆钛酸铅铁电薄膜以(110)方向择优取向；在LNO(100)/Si和LNO/Pt/Ti/SiO2/Si衬底上的铁电薄膜以(100)方向择优取向。附图说明图1为不同预处理方式对PZT(52/48)/Pt/Ti/SiO2/Si薄膜结构的影响； 其中a表示常规热处理，b表示快速预处理。图2为不同Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上PZT(52/48)薄膜的XRD图；其中a表示Pt/Ti底电极为直流溅射法制备，b表示Pt/Ti底电极为真空蒸发法制备。图3为不同衬底上PZT(52/48)薄膜的XRD图。其中a表示Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底结构，b表示LNO/Pt/Ti/SiO2/Si衬底结构，c表示LNO(100)/Si衬底结构。具体实施例方式首先采用一种修正的溶胶-凝胶技术，制备PZT先体溶液。以乙酸铅、钛酸四丁酯及四正丁氧基锆为原料，乙酰丙酮为熬合剂，乙二醇甲醚为溶剂。按照化学式Pb[Zr0.52Ti048]O3进行秤量、配料，将钛酸四丁酯和乙酰丙酮按摩尔比1∶1混合，在常温下搅拌2小时；加入乙酸铅在124℃下反应10分钟，冷却到80℃后加入四正丁氧基锆，然后在132℃下回流2小时，冷却至80℃进行减压蒸馏4小时，得到亮黄色的PZT干凝胶。这样一方面可以便于保存，另一方面用制备好的干凝胶配置溶胶，有利于溶胶的结构和组分均匀一致。使用时将干凝胶溶解在乙二醇甲醚中，重量百分比为10％，经孔径为0.2μm的过滤器进行过滤，即可供匀胶使用。采用旋转甩胶法(Spin-coating)制备Pb[Zr0.52Ti0.48]O3薄膜(简称PZT(52/48)薄膜)，匀胶速度为3000rpm，匀胶时间为30s。(一)通过不同的预处理方式控制薄膜的择优取向程度图1为不同预处理方式制备的PZT(52/48)薄膜的XRD谱图。a表示薄膜的预处理采用常规热处理，即在马弗炉中以3℃/分钟的速度升至400℃，保温30分钟，然后自然降温；b表示薄膜的预处理采用快速热处理，即在快速热处理炉中，以15℃/秒的速度升至460℃，保温2分钟，然后自然降温。两种薄膜的退火处理均采用常规处理，退火温度为600℃，保温时间为30min。从图中显然可以看出b薄膜的(110)择优取向程度(α＝I(110)/[I(110)+I(100)]＝0.944)高于a薄膜(α＝0.796)。可见快速热处理有利于薄膜的择优取向。这主要是由于热应力所造成的。在薄膜热处理过程中，由于衬底的约束，薄膜中总存在一定的宏观热应力，热处理速率越快，产生的宏观热应力也越大，而宏观热应力总是朝着一定的方向，这样就对晶粒形成一种制约，使其具有沿一定的方向生长的趋势，从而有利于形成择优取向的薄膜。(二)通过不同的Pt/Ti底电极控制薄膜的择优取向程度图2为分别以通过直流溅射法制备的Pt/Ti底电极和通过真空蒸发法制备的Pt/Ti底电极的衬底上，制备的PZT(52/48)薄膜的XRD图，两个薄膜的预处理均采用快速热处理，退火均采用常规退火方式，退火温度均为600℃，退火时间均为30min。可以看出，以直流溅射法制备的Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上的薄膜具有(110)择优取向(α＝0.796)，而真空蒸发法制备的Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上的薄膜不具有择优去向。这与两种衬底的制备方式有直接的关系。(三)通过不同的衬底结构控制薄膜的择优取向程度分别以Pt(111)/Ti/SiO2/Si、LNO/Pt/Ti/SiO2/Si和LNO(100)/Si为衬底制备PZT(52/48)薄膜，退火温度为600℃，保温时间为30min。图3表示了在上述不同衬底结构上的PZT薄膜的XRD图。从图中首先可以看出三种衬底上的薄膜均为纯钙钛矿结构，没有焦绿石相出现。然后可以注意到在Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上的薄膜以(110)方向择优取向；在LNO(100)/Si和LNO/Pt/Ti/SiO2/Si衬底上的薄膜以(100)方向择优取向。根据JCPDS卡片，LNO薄膜的(100)晶面的面间距为0.384nm，PZT(52/48)薄膜的(100)晶面的面间距为0.404nm，(110)晶面的面间距为0.285nm，Pt电极的(111)晶面的面间距为0.227nm。可以看出LNO薄膜与PZT薄膜的结构更具有匹配性，所以使得LNO薄膜上的PZT薄膜的择优取向性比Pt电极上更高。本文档来自技高网...

【技术保护点】
采用一种修正的溶胶－凝胶技术，制备出具有不同择优取向程度的锆钛酸铅铁电薄膜。

【技术特征摘要】
1.采用一种修正的溶胶一凝胶技术，制备出具有不同择优取向程度的锆钛酸铅铁电薄膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于通过不同的预处理过程，即常规热处理和快速热处理，可以得到程度不同的择优取向。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于选用不同工艺制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建康，闫仕农，
申请(专利权)人：苏州科技学院，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]