一种Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜及其制备工艺制造技术

本发明专利技术属于半导体材料领域，公开了一种Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜及其制备工艺。该Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜的分子式为Bi

【技术实现步骤摘要】
一种Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜及其制备工艺


[0001]本专利技术属于半导体材料领域，公开了一种Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜及其制备工艺。
技术背景
[0002]铁酸铋良好的磁电耦合效应可以利用电场调控磁性，也可以利用磁场调控其电极化程度，据此可以设计传感、驱动等功能的器件。除此之外，BiFeO3低的带隙也使其从多数钙钛矿铁电体中脱颖而出，其带隙位于2.3
‑
3.0eV之间，在可见光的范围能量吸收内，目前已经有多个关于BiFeO3的铁电光伏发电理论和实验研究。室温下显著的多铁性(铁电、铁磁和光伏性能共存)使BiFeO3薄膜在多个领域受到青睐。但随着研究的深入，BiFeO3薄膜的某单一性质已无法满足人们的需求，尤其是由于Bi挥发导致的漏电流较大以及BiFeO3本身较宽的直接带隙，这限制了BiFeO3薄膜的应用。此时，高比例稀土元素取代BiFeO3中A、B位而产生的双钙钛矿薄膜步入人们的视野中。SmFeO3是一种新型的室温铁电薄膜，具有稳定的多铁性，但铁电极化性很小。构成SmFeO3‑
BiFeO3双钙钛矿薄膜可以解决SmFeO3和BiFeO3薄膜的很多性能问题。
[0003]迄今为止，多比例稀土元素取代BiFeO3薄膜的元素比例多以靶材的化学比作参考，真实比例未有研究。然而，薄膜本身真实的元素比才是决定薄膜性质的根本原因。

技术实现思路

[0004]本专利技术公开了一种Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜及其制备工艺，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。r/>[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于磁控溅射法Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜，所述外延薄膜的结构包括衬底和衬底上外延的Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜，所述衬底为应力型单晶衬底，所述Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜的晶体结构为伪立方相。
[0006]进一步，所述Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜A位元素为Sm和Bi，B位元素为Me，薄膜的化学式为Bi
x
Sm1‑
x
MeO3，其中，x＝0.5。
[0007]进一步，所述应力型单晶衬底为LaAlO3、SrTiO3或Nb
‑
SrTiO3。
[0008]进一步，所述Me为过渡金属元素，所述过渡金属元素为Fe，Co，Ni中的一种或多种。
[0009]本专利技术的另一目的是提供一种采用磁控溅射法制备上述Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜的工艺，所述工艺包括如下步骤：
[0010]S1)选择应力型单晶衬底，清洗后自然晾干，置于加热平台中；
[0011]S2)制备Sm基陶瓷靶材，并置于磁控溅射平台中；
[0012]S3)启动加热平台对衬底加热至设定温度，同时采用射频磁控溅射制备技术在S2)的Sm基陶瓷靶材上进行薄膜沉积，得到Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜。
[0013]进一步，所述应力型单晶衬底的晶面取向为(001)，具体尺寸为5
×5×
0.3mm3。将
应力型单晶衬底放入加热平台前，需要使用丙酮、去离子水和无水乙醇清洗衬底表面。
[0014]进一步，所述S2)中Sm基陶瓷靶材的制备工艺具体为：
[0015]S2.1)将一定摩尔比的Bi2O3、Sm2O3和Me2O3粉体混合后，加入粘结剂和分散剂研磨3
‑
5h，得到均匀混合粉体，自然晾干后待用；
[0016]S2.2)将S2.1)中的均匀混合粉体在一定条件下压制，得到圆形靶材待用；
[0017]S2.3)将S2.2)中的圆形靶材在一定条件下烧结，得到Sm基陶瓷靶材。
[0018]进一步，所述S2.1)中的Bi2O3、Sm2O3和Me2O3粉体摩尔比为：1.15:1:2。
[0019]所述S2.2)中压制成型条件为：在压力为15MPa下压制0.5
‑
1.5min后，再在25MPa下压制4.5
‑
5.5min；
[0020]所述S2.3)中的烧结条件为，随炉以4.5
‑
5.5℃/min的速率升温至700
‑
900℃后保温1.8
‑
2.2h，后随炉降温至室温。
[0021]进一步，所述S3)中衬底的加热温度为500
‑
700℃。
[0022]所述射频磁控溅射制备技术的具体工艺为：
[0023]真空度为1
×
10
‑5Torr，Ar/O2流量比为4:1，气体总流量为5
‑
25sccm，工作气压为0.3
‑
0.5Pa，射频功率为85
‑
95W，沉积时间为0.5
‑
1.5小时。
[0024]进一步，所述得到的Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜在光伏性能测试中，开路电压达0.2V，极化后开压高达0.42V。
[0025]进一步，所述S2.1)中，使用聚乙烯醇作为粘结剂；粘结剂是浓度为0.05mg/L的水溶液；粘结剂与粉体质量的比例为1ml/10g；使用无水乙醇作为分散剂。
[0026]进一步，所述S2.2)中，压制成型后的圆形靶材直径约52mm，厚度约3
‑
5mm。
[0027]综上所述，本专利技术包括以下至少一种有益的技术效果：
[0028]1.本专利技术提供了一种基于磁控溅射法Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜的制备。
[0029]2.本专利技术提供了一种基于磁控溅射法调控Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜A位元素比例(Bi和Sm)的方法。
[0030]3.本专利技术通过调控衬底温度进而调控Sm基室温铁电外延薄膜的A位元素比例后，不同的元素比例应具有不同的性质。其中，当衬底温度为575℃时，得到元素比Bi/Sm为1的薄膜，为Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜。
[0031]4.本专利技术能够控制Sm基室温铁电外延薄膜的A位元素比，进而调控薄膜的性质，如铁电、铁电光伏及铁磁性。推动了该类薄膜在铁电光伏领域的发展，拓展了应用范围。
附图说明：
[0032]图1为本专利技术所述的Sm基室温铁电外延薄膜的晶体结构示意图。
[0033]图2为本专利技术所述的Sm基Bi
x
Sm1‑
x
FeO3室温铁电外延薄膜在LaAlO3衬底上沉积的XRD图，温度控制在550
‑
675℃。薄膜峰的差异来源于Bi/Sm比的变化示意图。
[0034]图3为本专利技术所述的Sm基Bi
x
Sm1‑
x
FeO3室温铁电外延薄膜在SrTiO3衬底上沉积的XRD图，温度控制在575
‑
650℃。薄膜峰的差异来源于Bi/Sm比的变化示意图。
[0035]图4为本专利技术所述的Sm基Bi
x
Sm1‑
x
Fe
0.5
Co
0.5...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜，其特征在于，所述Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜生长在应力型单晶衬底上，且所述Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜的晶体结构为伪立方相。2.根据权利要求1所述的外延薄膜，其特征在于，所述Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜的A位元素为Sm和Bi，B位元素为Me，薄膜的化学式为Bi
x
Sm1‑
x
MeO3，其中，x的取值为：0.5。3.根据权利要求1所述的外延薄膜，其特征在于，所述应力型单晶衬底为LaAlO3、SrTiO3或Nb
‑
SrTiO3。4.根据权利要求2所述的外延薄膜，其特征在于，所述Me为过渡金属元素，所述过渡金属元素为Fe，Co，Ni中的一种或多种。5.一种采用磁控溅射法制备如权利要求1
‑
4任意一项所述的Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜的工艺，其特征在于，所述工艺包括如下步骤：S1)选择应力型单晶衬底，清洗后自然晾干，置于加热平台中；S2)制备Sm基陶瓷靶材，并置于磁控溅射平台中；S3)启动加热平台对衬底加热至设定温度，同时采用射频磁控溅射制备技术在S2)的Sm基陶瓷靶材上进行薄膜沉积，得到Sm基双钙钛矿室温铁电外延薄膜。6.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述S2)中Sm基陶瓷靶材的制备工艺具体为：S2.1)将一定摩尔比的Bi2O3、Sm2O3和Me2O3粉体混合后，加入粘结剂和分散剂研磨3
‑
5h，得到均匀混合粉体，自然晾干后待用；S2.2)将...

【专利技术属性】
技术研发人员：张林兴，涂杰，刘旭东，李航任，席国强，田建军，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：