一种铌镁酸铅－钛酸铅铁电薄膜的制备方法技术

本发明专利技术属于铁电薄膜材料领域，一种铌镁酸铅－钛酸铅ＰＭＮ－ＰＴ铁电薄膜的制备方法。本发明专利技术方法是：先制备ＰＭＮ－ＰＴ陶瓷靶；清洗Ｓｉ基片；制备ＬａＮｉＯ３导电缓冲层；最后制备ＰＭＮ－ＰＴ铁电薄膜。本发明专利技术铌镁酸铅－钛酸铅铁电薄膜的制备方法优点是：制备工艺简单，重复性好；能在具有实际应用价值的廉价硅衬底上制备大面积具有纯钙钛矿结构择优取向的ＰＭＮ－ＰＴ薄膜，不仅与Ｓｉ集成工艺相兼容，而且制备成本低，有利于器件大批量生产；制备的薄膜具有良好的铁电性能，适用于铁电—半导体集成器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于铁电薄膜材料领域，具体地说是一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制 备方法。
技术介绍
钙钛矿型氧化物Pb (Mgl73Nb273) O3-PbTiO3 (PMN-PT)单晶具有优异的介电、压电、电 光及热释电性能，广泛应用于铁电存储器、压电换能器、传感器、驱动器、光开关、红外探测 及成像器件。然而，体材料存在着减薄工艺复杂，成品率低，制作成本高、集成度低等缺点， 限制了器件的使用范围。而薄膜不仅继承了体材料容易制备、易于掺杂改性等优点，同时又 具有灵敏元薄，灵敏高，响应速度快，易与微电子技术集成的优点，被视为实现器件和系统 微型化最有效的手段。引进硅集成电路工艺，通过把铁电薄膜直接沉积在制有读出电路的 硅集成基片上，制备铁电一半导体集成器件的潜力巨大。随着薄膜制备技术的不断进步和 应用领域的不断拓展，钙钛矿型氧化物铁电薄膜的制备和元器件开发已成为世界各国科学 界研究的重点技术。现有技术在氧化物单晶衬底(MgO、SrTiO3)上已成功地制备出了 PMN-PT铁电薄膜 材料，现有技术的缺点是使用的氧化物单晶衬底材料价格昂贵、制备工艺复杂，限制了薄膜 的广泛应用。铁电薄膜的硅基集成化是解决这一技术瓶颈的有效手段。已有一些研究人员 在硅衬底上制备出了 PMN-PT铁电薄膜，但薄膜的结晶质量和性能都明显劣于在氧化物单 晶衬底上制备的薄膜。因此在具有实际应用价值的廉价硅基片上生长出高质量的PMN-PT 铁电薄膜对其与硅半导体的集成应用具有重要意义。为了解决PMN-PT薄膜与Si基片之间存在的晶格失配问题，本专利技术采用Sol-gel 法首先在Si基片上制备一层具有纯钙钛矿结构、与PMN-PT的晶格失配度为4. 2%的 LaNiO3(LNO)导电薄膜，将此作为缓冲层和底电极，然后通过磁控溅射在缓冲层上制备出 PMN-PT薄膜。在Si基片与PMN-PT薄膜之间引入缓冲层可以有效地缓解晶格失配并抑制界 面扩散，减少甚至消除界面缺陷和表面态，补偿界面氧空位，消除焦绿石相，同时有助于薄 膜的择优取向或外延生长；而且，使用氧化物电极可以减少漏电流和抑制器件的疲劳现象， 从而改善PMN-PT薄膜的结晶质量和电性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能在硅基片上生长出具有纯钙钛矿结构择优取向的 PMN-PT铁电薄膜的方法。为实现上述目的，其具体步骤如下一种铌镁酸铅_钛酸铅铁电薄膜的制备方法，步骤如下(1)制备PMN-PT陶瓷靶将纯度大于99. 99%的PbO、Nb2O5, MgO和TiO2粉末均勻 混合；压制成直径为2英寸、厚度为3 mm的块体；1200 0C下烧结成陶瓷靶； (2)清洗Si基片A依次使用丙酮、乙醇超声清洗Si基片； B用去离子水冲洗； C用氮气吹干；D在真空室内用氩离子束刻蚀剥离清洗； E清洗后的基片，迅速放入到真空室中； (3)制备LaNiO3导电缓冲层A将清洗干净的Si基片放在溶胶机吸附台上，用注射器将LaNiO3溶液缓慢、均勻地滴 满基片表面，打开油泵将其吸附；B旋转喷涂转速2500 r/s,时间为15秒；C将旋涂好的样品放在300 0C烘胶台上烘烤20秒；重复三次；D将样品放入马弗炉，以10 °C/min的速率升温至700 °C，保温1小时，自然冷却至室(4)制备PMN-PT薄膜A调整靶材和衬底距离9 cm，溅射腔体抽真空至5 X ΙΟ"5 Pa ； B控制衬底温度在500至600 0C ； C通入氩气和氧气，沉积气压为2 Pa ；D磁控溅射功率150 W，先预溅射30 min，然后在LaNi03/Si衬底上生长PMN-PT薄膜， 沉积完毕后原位自然冷却至室温。步骤(1)中PbO和MgO数量分别添加过量摩尔数10%和5%。步骤(4)中通入的氩气和氧气体积比为Ar O2 = 9 1。本专利技术的要点是先制备PMN-PT陶瓷靶；清洗Si基片；制备LaNiO3导电缓冲层； 最后制备PMN-PT铁电薄膜。本专利技术的具体实施细节是选用纯度大于99. 99%的Pb0、Nb205、Mg0和TiO2粉末均勻混合；为了补偿在高温下烧结 陶瓷靶和沉积薄膜过程中Pb和Mg的挥发，制备陶瓷靶时添加摩尔数过量10%的PbO和5% 的MgO。将各材料混合均勻，压制成块；在1200 °(下烧结制成溅射PMN-PT薄膜所用的陶瓷 靶。依次使用丙酮、乙醇超声清洗Si基片；再用去离子水冲洗；用氮气吹干，最后在真 空室内用氩离子束刻蚀剥离清洗。以上清洗所得的基片，迅速放入到真空室中以避免污染。将清洗干净的Si基片平稳的放在溶胶机的吸附台上，用注射器将LaNiO3溶液缓 慢、均勻地滴满基片的表面，然后打开油泵将其吸附。旋涂转速设定为2500 r/s，旋涂时间 为15秒，最后将旋涂好的样品放在300 °C的烘胶台上烘烤约20秒。以上过程重复三次后， 将样品放在传统的马弗炉中，以10 °C/min的速率升温至700 °C，在700 °C保温1小时后自 然冷却至室温。最后制备PMN-PT薄膜安装靶材和衬底时，调整靶材和衬底之间的距离为9 cm, 将溅射腔体抽真空至5X 10_5 Pa,同时用加热器加热衬底，加热温度范围控制在500至600 °C，然后通入氩气和氧气(Ar O2 = 9 1)，直至沉积气压为2 Pa。磁控溅射功率设定为 150 W，先预溅射30 min，然后在LaNi03/Si(100)衬底上生长PMN-PT薄膜，沉积完毕后原位 自然冷却至室温。本专利技术铌镁酸铅_钛酸铅铁电薄膜的制备方法，优点是1、制备工艺简单，重复性好；2、能在具有实际应用价值的廉价硅衬底上制备大面积具有纯钙钛矿结构择优取向的 PMN-PT薄膜，不仅与Si集成工艺相兼容，而且制备成本低，有利于器件大批量生产；3、制备的薄膜具有良好的铁电性能，适用于铁电一半导体集成器件。附图说明图1.衬底温度分别为 200。C、450 0C,500。C、550。C、600。C、650。(时生长的 PMN-PT薄膜的X射线衍射图。图2.衬底温度分别为(a) 500 °C、(b)550 °C、(c) 600 °C时生长的PMN-PT薄膜 的SEM图谱。图3.衬底温度分别为(a) 500 °C、(b)550 °C、(c) 600 °C时生长的PMN-PT薄膜 的电滞回线。图4.衬底温度分别为(a) 500 °C、(b)550 °C、(c) 600 °C时生长的PMN-PT薄膜 在极化后的介电常数和损耗随频率的变化。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的详细说明图1是衬底温度分别为室温200 °C、450 °C、500 °C、550 °C、600 °C、650 0C时生长的 PMN-PT薄膜的X射线衍射图。从图中可以看出，当衬底温度低于450 °C时，薄膜含有少量 焦绿石相，基本为非晶。当衬底温度达到500 - 600 °(时，出现(110)择优取向具有纯钙钛 矿结构的PMN-PT薄膜，择优取向度可达71%。当衬底温度为500 0C时，在LNO/Si衬底上生 长的PMN-PT薄膜的(110)衍射峰峰位几乎同块体峰位一致，这说明应力已基本释放完毕。 与块体峰位相比，550 °(和600 °C生长的薄膜的PMN-PT(IlO)峰位分别向高角度和低角度 方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铌镁酸铅－钛酸铅铁电薄膜的制备方法，步骤如下：　　（１）　制备ＰＭＮ－ＰＴ陶瓷靶：将纯度大于９９．９９％的ＰｂＯ、Ｎｂ↓［２］Ｏ↓［５］、ＭｇＯ和ＴｉＯ↓［２］粉末均匀混合；压制成直径为２英寸、厚度为３　ｍｍ的块体；１２００℃下烧结成陶瓷靶；　　（２）　清洗Ｓｉ基片：　　Ａ依次使用丙酮、乙醇超声清洗Ｓｉ基片；　　Ｂ用去离子水冲洗；　　Ｃ用氮气吹干；　　Ｄ在真空室内用氩离子束刻蚀剥离清洗；　　Ｅ清洗后的基片，迅速放入到真空室中；　　（３）　制备ＬａＮｉＯ↓［３］导电缓冲层：Ａ将清洗干净的Ｓｉ基片放在溶胶机吸附台上，用注射器将ＬａＮｉＯ↓［３］溶液缓慢、均匀地滴满基片表面，打开油泵将其吸附；　　Ｂ旋转喷涂转速２５００　ｒ／ｓ，时间为１５秒；　　Ｃ将旋涂好的样品放在３００℃烘胶台上烘烤２０秒；重复三次；　　Ｄ将样品放入马弗炉，以１０℃／ｍｉｎ的速率升温至７００℃，保温１小时，自然冷却至室温；　　（４）　制备ＰＭＮ－ＰＴ薄膜：　　Ａ调整靶材和衬底距离９ｃｍ，溅射腔体抽真空至５×１０↑［－５］Ｐａ；　　Ｂ控制衬底温度在５００至６００℃；　　Ｃ通入氩气和氧气，沉积气压为２Ｐａ；　　Ｄ磁控溅射功率１５０Ｗ，先预溅射３０ｍｉｎ，然后在ＬａＮｉＯ↓［３］／Ｓｉ衬底上生长ＰＭＮ－ＰＴ薄膜，沉积完毕后原位自然冷却至室温。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：唐艳学，田玥，孙大志，石旺舟，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]