一种高通量厚度梯度薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高通量厚度梯度薄膜及其制备方法，可用于氧化物薄膜厚度与铁电性能筛选。高通量厚度梯度薄膜包括：基底层，以及在基底层上依次生长的底电极层和功能层；功能层的材料为BaTiO3薄膜；功能层包括按3

【技术实现步骤摘要】
一种高通量厚度梯度薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及氧化物薄膜材料
，更具体的说是涉及一种高通量厚度梯度薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]功能性氧化物薄膜由于其多样化的电、光、热、机械和磁特性以及独特的多场耦合特性，在存储器、传感器、微电子、能量采集和存储系统等设备中具有极其广阔的应用前景和潜力。随着科学技术的快速发展和人类日常生活需求的日益多样化，氧化物薄膜的应用对其性能、灵活性和小型化的要求越来越高。为此，研究人员采用各种方法来提高其性能并开发新材料。然而，在传统的氧化物薄膜制备过程中主要依靠科学直觉和频繁的试错实验策略，往往需要反复地实验，缓慢地摸索工艺参数，这导致了从最初的研究到实际采用的过程中消耗了大量的时间和资源。
[0003]功能性氧化物薄膜的厚度和性能密切相关，传统的“试错法”主要是通过控制变量的方法每次改变温度、气压、厚度中某个实验工艺条件制备出不同的薄膜材料，通过测试从中筛选出其中最佳性能的薄膜样品。但是，这样的方法效率过低，成本过高；此外，在制备过程中由于各个氧化物薄膜的工艺参数处于一个动态区间，难以根据单一变量的变化去观察氧化物薄膜性能的规律和最佳性能，可对比性差。
[0004]因此，在氧化物薄膜制备过程中，如何快速低成本且有效地筛选出有着优异性能的薄膜厚度，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种用于氧化物薄膜厚度与铁电性能筛选的高通量厚度梯度薄膜制备方法，通过此方法能够在短时间内获得多种不同厚度的氧化物薄膜，实现了在氧化物薄膜制备中快速筛选出较佳性能的厚度薄膜，解决了传统氧化物薄膜制备过程中效率低下，成本过高、可对比性差的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种高通量厚度梯度薄膜，包括：基底层，以及在所述基底层上依次生长的底电极层和功能层；所述功能层的材料为BaTiO3薄膜；所述功能层包括按3
×
3排列的区域1
‑
区域9，所述区域1
‑
区域9的厚度呈梯度分布。
[0007]优选的，所述基底层选自SrTiO3衬底、GdSiO3衬底、DyScO3衬底、云母衬底中的一种；所述SrTiO3衬底的取向选自(110)、(111)、(100)中的一种。
[0008]上述技术方案的有益效果是：取向为(110)、(111)、(100)的SrTiO3衬底与功能层材料晶格匹配度较好，易于制备高质量的BaTiO3薄膜。
[0009]优选的，所述底电极层选自SrRuO3薄膜、La
0.67
Sr
0.33
MnO3薄膜中的一种；所述底电极层厚度为5～35nm。
[0010]本专利技术还提供了上述的一种高通量厚度梯度薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0011]S1、将基底进行粘结处理并放置于高通量脉冲激光沉积系统沉积腔中基片台上，
基片台位于主靶位的上方，基底与靶材之间的距离为50～100mm；
[0012]S2、利用高通量脉冲激光沉积制备方法，在基底层上沉积形成底电极层；
[0013]S3、利用高通量脉冲激光沉积制备方法和可编程掩膜版，在底电极层上沉积形成功能层；
[0014]S4、进行退火处理，得到高通量厚度梯度薄膜。
[0015]优选的，步骤S2所述沉积底电极层的工艺参数为：沉积腔真空度≤5
×
10
‑7Pa，衬底温度为670～730℃，脉冲激光频率为5～10Hz，激光焦距为3～9mm，沉积速率为4～10nm/min。
[0016]上述技术方案的有益效果是：该工艺参数制备生长的底电极层表面平整、阻值较低。
[0017]优选的，步骤S3所述可编程掩模版包括可沿X方向移动的第一掩膜和可沿Y方向移动的第二掩膜；所述第一掩膜X方向位移为
‑
20mm～20mm；所述第二掩膜Y方向位移为
‑
20mm～20mm；所述第一掩膜和第二掩膜都可沿Z方向移动，位移都为
‑
10mm～10mm；所述第一掩膜和第二掩膜呈85
°
～95
°
夹角；所述第一掩膜和第二掩膜上都设有大小为10mm
×
10mm的方形孔；在薄膜沉积过程中，通过所述第一掩膜和第二掩膜上方形孔相互遮叠移动的方式使等离子羽辉溅射到所述基底层上形成薄膜厚度梯度。
[0018]优选的，步骤S3所述沉积形成功能层的具体步骤为：
[0019]1)利用在脉冲激光沉积设备基础上设计的可编程掩模版，在薄膜沉积过程中利用掩模版移动遮蔽且露出基片沉积位置，以此形成高通量厚度梯度薄膜；设置第一掩膜方形孔移动至基片下方确定沉积区域，设置第二掩膜方形孔移动至高通量起点1，露出沉积的基片区域，沉积完成后，得到1个区域的功能层；
[0020]2)设置第一掩膜位置不变，设置第二掩膜移动，基片沉积区域扩大至步骤1)中沉积区域的2倍，沉积完成后，得到2个区域的功能层；
[0021]3)设置第一掩膜位置不变，设置第二掩膜移动，基片沉积区域扩大至步骤1)中沉积区域的3倍，沉积完成后，得到3个区域的功能层；
[0022]4)设置第一掩膜移动至高通量起点2，设置第二掩膜方形孔移动至基片下方，沉积完成后，得到3
×
2个区域的功能层；
[0023]5)设置第一掩膜移动，设置第二掩膜位置不变，基片沉积区域扩大至步骤4)中沉积区域的2倍，沉积完成后，得到3
×
3个区域的功能层。
[0024]优选的，步骤S3所述沉积功能层的工艺参数为：沉积腔真空度≤5
×
10
‑7Pa；衬底温度为710～750℃；氧分压为3～100mTorr；激光能量为260～380mJ；脉冲激光频率为4～6Hz；激光焦距为
‑
15～
‑
25mm；靶材转速为
±
12～
±
16
°
/min；沉积速率为3～6nm/min。
[0025]上述技术方案的有益效果是：该工艺参数制备生长的功能层薄膜铁电电滞回线线形较好、饱和极化强度较高。
[0026]优选的，步骤S4所述退火处理的具体步骤为：在氧分压为3～10mTorr的条件下，以8～12℃/min的降温速度冷却至室温。
[0027]上述技术方案的有益效果是：所述降温速度有利于薄膜结晶度更高、质量更好。
[0028]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术提供了一种高通量厚度梯度薄膜及其制备方法，具有以下有益效果：
[0029](1)本专利技术通过高通量沉积的方式，短时间内制备出在同一衬底下具有多种不同厚度的梯度薄膜，同时薄膜具有优异的性能，能够快速筛选出有着最佳性能的薄膜厚度。
[0030](2)通过特殊设计的掩膜系统批量制备出不同厚度的高通量氧化物薄膜，提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高通量厚度梯度薄膜，其特征在于，包括：基底层，以及在所述基底层上依次生长的底电极层和功能层；所述功能层的材料为BaTiO3薄膜；所述功能层面积大小为10mm
×
10mm；所述功能层包括按3
×
3排列的区域1
‑
区域9，所述区域1
‑
区域9的厚度呈梯度分布。2.根据权利要求1所述的一种高通量厚度梯度薄膜，其特征在于，所述基底层选自SrTiO3衬底、GdSiO3衬底、DyScO3衬底、云母衬底中的一种；所述SrTiO3衬底的取向选自(110)、(111)、(100)中的一种。3.根据权利要求1所述的一种高通量厚度梯度薄膜，其特征在于，所述底电极层选自SrRuO3薄膜、La
0.67
Sr
0.33
MnO3薄膜中的一种；所述底电极层厚度为5～35nm。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的一种高通量厚度梯度薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将基底进行粘结处理并放置于高通量脉冲激光沉积系统沉积腔中基片台上，基片台位于主靶位的上方，基底与靶材之间的距离为50～100mm；S2、利用高通量脉冲激光沉积制备方法，在基底层上沉积形成底电极层；S3、利用高通量脉冲激光沉积制备方法和可编程掩模版，在底电极层上沉积形成功能层；S4、进行退火处理，得到高通量厚度梯度薄膜。5.根据权利要求4所述的一种高通量厚度梯度薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S2所述沉积底电极层的工艺参数为：沉积腔真空度≤5
×
10
‑7Pa，衬底温度为670～730℃，脉冲激光频率为5～10Hz，激光焦距为3～9mm，沉积速率为4～10nm/min。6.根据权利要求4所述的一种高通量厚度梯度薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S3所述可编程掩模版包括可沿X方向移动的第一掩膜和可沿Y方向移动的第二掩膜；所述第一掩膜X方向位移为
‑
20mm～20mm；所述第二掩膜Y方向位移为
‑
20mm～20mm；所述第一掩膜和第二掩膜都可沿Z方向移动，位移都为
‑
10mm～10mm；所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭阳春，谭丛兵，刘明伟，钟高阔，陈骞鑫，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：