专利名称：一种新结构多性能BaTiO的制作方法
技术领域：
本发明属于薄膜科学领域。
高介电常数的薄膜对于新器件的探索和微电子器件等性能的提高与改善是至关重要的，具有大的非线性系数的光学材料在光学方面有重要的应用，具有良好铁电、热电性能的薄膜材料在存储器和探测器等方面也有广泛的应用。如文献1.M.Sayer and K.Screenivas，Science.Vol.247，1056(1990)；2.Gene H.Haertling，J.Vac.Sci.Technol.A，9(3)，414(1991)。日本大阪大学Hitoshi Tabata和Tomoji Kanwai利用脉冲激光法制备的(Sr，Ca)TiO3/(Ba，Sr)TiO3人工超晶格材料，介电常数达到900，如文献3，H.Tabata and T.Kawai，Appl.Phys.Lett.70(3)，321(1997)。用激光分子束外延制备的BaTiO3/SrTiO3超晶格材料具有大的光学非线性系数，如文献4，轩林震等，中国科学(A)，28，1107(1998)。人们预计铁电超晶格材料不仅具有超绝缘特性，而且可能具有超铁电特性。
本发明的目的在于提供几种由BaTiO3和五种材料组成不同结构的具有高介电常数，大的非线性光学系数，优良的铁电性的多性能BaTiO3超晶格材料。
本发明提供的多性能BaTiO3超晶格材料是这样实现的，使用激光分子束外延或脉冲激光淀积或磁控溅射制膜方法，把BaTiO3材料和MgO、SrTiO3、LaAlO3、ZrO2、Al2O3等材料以不同的层厚的薄膜周期性叠制而成，其结构主要有以下两种一、两种材料制备的超晶格由两种材料制备的BaTiO3超晶格结构如
图1所示，首先在单晶基片上生长厚度为m的A材料薄膜，然后再在A材料薄膜上生长厚度为n的B材料薄膜，按需要周期性地生长制备成超晶格。如A(或B)薄膜材料是BaTiO3，则B(或A)薄膜材料是MgO或LaAlO3或ZrO2或Al2O3。其中膜厚m和n可以相等，也可以不相等。
二、三种材料制备的超晶格由三种材料制备的BaTiO3超晶格结构如图2所示，首先在单晶基片上生长厚度为i的C材料薄膜，然后在C材料薄膜上生长厚度为j的D材料，在D材料薄膜上生长厚度为k的E材料薄膜，按需要周期性地生长制备成超晶格。如C薄膜材料是BaTiO3，则D和E薄膜材料选用MgO、SrTiO3、LaAlO3、ZrO2、Al2O3中的两种材料；若D薄膜材料是BaTiO3，则C和E薄膜材料选用MgO、SrTiO3、LaAlO3、ZrO2、Al2O3中的两种材料；若E薄膜材料是BaTiO3，则C和D薄膜材料选用MgO、SrTiO3、LaAlO3、ZrO2、Al2O3中的两种材料。其中膜厚i，j，k可以相等，也可以不相等。
制备上述两种结构BaTiO3超晶格，其基片可以是MgO、BaTiO3，SrTiO3、LaAlO3、ZrO2、Al2O3等单晶基片，也可以是掺杂的上述单晶基片。BaTiO3也可以是掺Ce和掺Rh的BaTiO3。制备超晶格所用的各种靶材可以是单晶靶材，也可以是烧结的多晶靶材。每层膜厚m，n，i，j，k选择的范围从4到1000。两种结构叠制的周期数均可以从1-1000个周期，可以是整数周期，也可以是非整数周期。
用激光分子束外延、脉冲激光淀积或磁控溅射等制膜方法，按上述两种结构把BaTiO3和MgO、SrTiO3、LaAlO3、ZrO2、Al2O3中的一种或两种材料三明治式地周期叠层制备的BaTiO3超晶格材料，由于层与层之间的晶格应力等方面的作用，所制备的BaTiO3超晶格材料具有高的介电常数、大的非线性光学系数和优良的铁电性能等综合性能。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明图1是本发明两种材料制备的超晶格结构2是本发明三种材料制备的超晶格结构图实施例1用激光分子束外延方法，选用BaTiO3，MgO单晶靶材和SrTiO3单晶基片，制备图1所示两层结构的BaTiO3(20)/MgO(20)超晶格，材料(A)是BaTiO3，材料(B)是MgO，BaTiO3(A)层的膜厚m＝20，MgO(B)层的膜厚n＝20，共外延生长10个周期的BaTiO3(20)/MgO(20)。
实施例2按实施例1制作，BaTiO3改用掺Ce的BaTiO3靶材，制备25个周期掺Ce的BaTiO3(20)/MgO(20)超晶格。
实施例3按实施例2制作，BaTiO3(A)层的膜厚m＝50，MgO(B)层的膜厚n＝10，制备30.5个周期掺Rh的BaTiO3(50)/MgO(10)超晶格。
实施例4按实施例1制作，用LaAlO3靶材代替MgO靶材，制备BaTiO3(100)/LaAlO3(100)超晶格。
实施例5用激光淀积制膜方法，用ZrO2基片代替SrTiO3基片按实施例2制作。
实施例6使用烧结的BaTiO3和MgO多晶靶材按实施例1制作。
实施例7用磁控溅射制膜方法，按实施例2制作。
实施例8用激光分子束外延方法，选用BaTiO3、SrTiO3、MgO单晶靶材和SrTiO3基片，制备图2所示三层结构的超晶格。材料(C)是MgO，膜厚i＝50；材料(D)是SrTiO3，膜厚j＝50；材料(E)是BaTiO3，膜厚k＝50。共外延15个周期的BaTiIO3(50)/SrTiO3(50)/MgO(50)的超晶格；实施例9用LaAlO3单晶靶材代替MgO，按实施例8制作，制备20个周期的BaTiO3(50)/SrTiO3(50)/LaAlO3(50)超晶格。
实施例10用脉冲激光淀积制膜方法，选用ZrO2、Al2O3和掺Ce的BaTiO3单晶靶材，制备图2所示三层结构超品格。材料(C)是ZrO2，层厚i＝100；材料(D)是BaTiO3，层厚j＝500；材料(E)是Al2O3，层厚k＝200，共生长10个周期的ZrO2(100)/BaTiO3(500)/Al2O3(200)的超晶格。
实施例11用烧结的BaTiO3和SrTiO3多晶靶材代替单晶靶，按实施例8制作。
实施例12按实施例8制作，制备材料(C)MgO层厚i＝12，材料(D)SrTiO3层厚j＝4，材料(E)BaTiO3层厚k＝16的200个周期的MgO(12)/SrTiO3(4)/BaTiO3(16)超晶格。
实施例13按实施例2制作，用LaAlO3靶代替MgO靶，制备1个周期掺Ce的BaTiO3(1000)/LaAlO3(1000)的超晶格。
实施例14按实施例8制作，用ZrO2靶代替SrTiO2靶，用Al2O3靶代替MgO靶，制备1000个周期的BaTiO3(4)/ZrO2(8)/Al2O3(12)的超晶格。
权利要求
1.一种新结构多性能BaTiO3超晶格材料，其特征在于利用激光分子束外延，脉冲激光淀积和磁控溅射等制备薄膜的技术和方法，把BaTiO3和MgO，ZrO2，LaAlO3，Al2O3三明治式的以A、B两层结构或把BaTiO3和MgO，ZrO2，LaAlO3，SrTiO3，Al2O3三明治式的以C、D、E三层结构周期叠制而成，每一层厚度m，n，i，j，k的变化范围是从4到1000，超晶格叠层的周期是从1到1000。
2.按权利要求1所述的新结构多性能BaTiO3超晶格材料，其特征在于在两层结构中，如BaTiO3是材料A，则MgO，LaAlO3，ZrO2，Al2O3中的任一种是材料B；若BaTiO3是材料B，则上述另4种材料中的任一种是材料A，也就是说，在制备超晶格时，不同样品的叠层可以换位，同理，对于三层结构，BaTiO3在不同的样品中，可以是材料C，可以是材料D，也可以是材料E，则MgO，ZrO2，LaAlO3，SrTiO3，Al2O3中选取两种分别为材料D、E或材料C、E或材料C、D。
3.按权利要求1所述的新结构多性能BaTiO3超晶格材料，其特征在于所用的靶材可以是单晶材料，也可以是多晶材料。
4.按权利要求1所述的BaTiO3超晶格材料，其特征在于所用的BaTiO3，MgO，ZrO2，LaAlO3，SrTiO3，Al2O3材料可以是掺杂的。
5.按权利要求1所述的新结构多性能BaTiO3超晶格材料，其特征在于两层和三层结构超晶格，其叠层可以是整数周期，也可以是非整数周期。
6.按权利要求1所述的新结构多性能BaTiO3超晶格材料，其特征在于所用的基片是SrTiO3，BaTiO3，MgO，ZrO2，LaAlO3，Al2O3单晶基片，也可以是掺杂的上述六种单晶基片。
全文摘要
本发明属于薄膜科学领域。本发明提供由BaTiO
文档编号C03B25/00GK1266912SQ9910286
公开日2000年9月20日 申请日期1999年3月10日 优先权日1999年3月10日
发明者吕惠宾, 陈正豪, 杨国桢, 周岳亮, 赵彤, 陈凡 申请人:中国科学院物理研究所