一种p型高透射率(100)-取向的LaNiO₃纳米薄膜的制备方法

专利名称：一种p型高透射率(100)-取向的LaNiO₃纳米薄膜的制备方法
一种P型高透射率(100)-取向的LaNiO3纳米薄膜的制备
方法技术领域 本发明涉及微电子与光电子材料领域，特别涉及一种P型高透射率(100)-取向的 LaNiO3纳米导电薄膜的制备方法。
背景技术：
透明导电氧化物薄膜具有良好的导电性，对可见光的高透射率，红外区高反射率及其它半导体特性，可应用于平板显示器件，太阳能光伏电池，光电传感器以及光电子，微电子器件等领域。迄今为止，已发现的透明导电薄膜主要是In2O3，SnO2和掺Al的ZnO及其组合而成的多元体系，在平板显示器中得到广泛的应用，但是他们都是η型半导体或导电体， P型透明氧化物薄膜很少。作为P型导体的LaNiO3薄膜通常来讲是不透明的，主要是因为厚度超过了 200nm，因此限制了 ρ型导体在光电领域的应用，然而ρ型材料为ρ_η结构及其透明半导体器件的发展提供了可能性。虽然降低厚度可以提高透射率，但是降低厚度会带来薄膜表面缺陷增多，从而带来电阻率升高，这个问题在溶胶_凝胶法制备的LaNiO3薄膜中更为突出。LaNiO3M料具有钙钛矿结构，是铁电薄膜底电极的首选材料之一，主要是因为 LaNiO3的晶胞参数(a=0. 382nm)与铁电薄膜非常接近，使之不仅可作为电极材料，还可作为籽晶层来优化铁电薄膜的结构和性能。然而，不同的工艺得到的LaNiOj^膜的表面粗糙度较大，极化不均勻，电阻率高，对铁电薄膜的性能也有影响，例如会增加上层PZT铁电薄膜的漏电流和矫顽场，降低剩余极化值，这些因素均与LaNiO3电极的表面粗糙度和取向度有关。

发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种可以改善LaNiO3电极的表面粗糙度和取向度的 P型高透射率(100)-取向的LaNiO3薄膜的制备方法。本发明是通过以下措施实现的
一种P型高透射率高(100)-取向的LaNiO3薄膜的制备方法，采用以下步骤
(1)前驱体溶液的制备采用溶胶凝胶法，按摩尔比1:1称取硝酸镧和硝酸镍作为溶质，溶于摩尔比1:1混合的水和乙醇中，加入柠檬酸和聚乙二醇，水乙醇柠檬酸聚乙二醇摩尔比为=200 200 2 :1，配制成前驱体溶液，溶液浓度为0. 08 0. 20mol/L ；
(2)LaNiOj^膜材料的制备采用层层退火工艺，先用旋转涂膜法将前驱体溶液沉积在衬底材料上，然后将材料放置在热板上250°C左右烘干，将干燥的薄膜置于快速退火炉中热处理，热处理工艺特征在于在氧气气氛下从350°C以10°C /分钟的速率升温到450°C， 450°C预处理lOmin，再以15°C /分钟的速率升温到600°C，在氮气气氛下退火20分钟，退火温度为600°C 650°C，得到LaNiO3薄膜。600°C到650°C之间退火，是指按照不同应用的需求，可以选择600°C，625 °C， 650°C分别退火20分钟，每个片在一个温度上保持20分钟，600°C得到的晶粒尺寸较小， 650°C得到的晶粒尺寸较大。
所制得的LaNiO3薄膜厚度小于50nm，电阻率为1 X 10_4Ω · cm 2 X 10_4Ω · cm,表面粗糙度不大于lnm。衬底材料可以选用石英、玻璃、硅片或者金属薄片，金属薄片为Ni片或Cu片。本发明将很薄的薄膜置于衬底材料之上，通常科研工作者是将较厚的薄膜作为器件的底电极，没有注意到LaNiO3底电极表面的坑及裂纹等对薄膜电学性能以及光学性能的影响。因此，通过对预处理温度，退火温度，薄膜层厚的控制，我们得到了纳米级厚度，取向度高，表面粗糙度小，电阻率低，透射率高的(100)-取向LaNiO3纳米薄膜电极。本发明的有益效果是通过控制并采用最合适的预处理温度，退火温度，提高了 LaNiO3薄膜电极的表面均勻性和极化程度，取向度高，表面粗糙度小，电阻率低；并且通过层厚的控制，得到高透射率的P型(100)-取向LaNiO3纳米薄膜电极，在未来的光电器件中具有良好的实用前景。


附图1为实施例1热处理过程温度曲线图； 附图2为实施例1得到的LaNiO3薄膜原子力图； 附图3为实施例1得到的LaNiO3薄膜在可见光下的透射率； 附图4为在Si衬底上得到的LaNiO3薄膜的XRD谱。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明作具体的说明。实施例1
本实施例为一种用于光电器件的高透射率(100)-取向的LaNiO3纳米薄膜电极。上述薄膜电极的制备方法为
(1)前驱体溶液的制备采用溶胶凝胶法，按摩尔比1:1称取硝酸镧和硝酸镍，溶于摩尔比为1 :1的水和乙醇中，再加少量柠檬酸和聚乙二醇，配制成前驱体溶液，溶液浓度为 0. 08mol/L，其中溶剂的摩尔比为水乙醇柠檬酸聚乙二醇=200 200 2 1 ；
(2)LaNiOj^膜材料的制备采用层层退火工艺，先用旋转涂膜法将前驱体溶液沉积在石英衬底材料上，然后将材料放置在热板上烘干，将干燥的薄膜置于快速退火炉中热处理，热处理工艺特征在于在氧气气氛下从350°C以10°C /分钟的速率升温到450°C，450°C 预处理10分钟，再以15°C /分钟的速率升温到600°C，在氮气气氛下退火20分钟，温度为 600°C，得到致密薄膜。用扫描电子显微镜测得厚度为lOnm，用 原子力显微镜测得的表面粗糙度为0. 630nm，用四探针测试仪测得电阻率为2X 10_4Ω · cm，热处理过程温度曲线如图1 所示。图2为本实施例得到的薄膜的原子力图，薄膜的粗糙度为0.630nm。图3为本实施例的透射率图，可以看出在可见光波长范围内，透射率大于80%。根据应用的不同，可以重复以上步骤得到目标厚度的薄膜。实施例2
本实施例为一种用于光电器件的高透射率(100)-取向的LaNiO3纳米薄膜电极。上述薄膜电极的制备方法为
(1)前驱体溶液的制备采用溶胶凝胶法，按摩尔比1:1称取硝酸镧和硝酸镍，溶于摩尔比为1 :1的水和乙醇中，再加少量柠檬酸和聚乙二醇，配制成前驱体溶液，溶液浓度为0.20mol/L，其中溶剂的摩尔比为水乙醇柠檬酸聚乙二醇=200 200 2 1 ；
(2) LaNiOj^膜材料的制备采用层层退火工艺，先用旋转涂膜法将前驱体溶液沉积在硅衬底材料上，然后将材料放置在热板上烘干，将干燥的薄膜置于快速退火炉中热处理， 热处理工艺特征在于在氧气气氛下从350°C以10°C /分钟的速率升温到450°C，450°C预处理10°C，再以15°C /分钟的速率升温到600°C，在氮气气氛下退火20分钟，退火温度为 650°C，得到致密薄膜。用扫描电子显微镜测得厚度为25nm，用原子力显微镜测得粗糙度为
1.OOOnm，用四探针测试仪测得电阻率为IX 10_4Ω · cm。附图4为在Si衬底上得到的LaNiO3薄膜的XRD谱图，从图中可以看出所得到的纳米薄膜取向度很高。根据应用的不同，可以重复以上步骤得到目标厚度的薄膜。实验例3
本实施例为一种用于光电器件的高透射率(100)-取向的LaNiO3纳米薄膜电极，通过调节不同的溶液浓度，得到不同厚度的薄膜。上述薄膜电极的制备方法为
(1)前驱体溶液的制备采用溶胶凝胶法，按摩尔比1:1称取硝酸镧和硝酸镍，溶于摩尔比为1 :1的水和乙醇中，再加少量柠檬酸和聚乙二醇，配制成前驱体溶液，溶液浓度为 0. lOmol/L，其中溶剂的摩尔比为水乙醇柠檬酸聚乙二醇=200 200 2 1 ；
(2)LaNiOj^膜材料的制备采用层层退火工艺，先用旋转涂膜法将前驱体溶液沉积在衬底材料上，然后将材料放置在热板上烘干，将干燥的薄膜置于快速退火炉中热处理， 热处理工艺特征在于在氧气气氛下从350°C以10°C /分钟的速率升温到450°C，450°C预处理10°C，再以15°C /分钟的速率升温到600°C，在氮气气氛下退火20分钟，退火温度为 620°C，得到致密薄膜。用扫描电子显微镜测得厚度为12nm，用原子力显微镜测得粗糙度为 0. 7000nm，用四探针测试仪测得电阻率为1. 8X 10_4Ω · cm。根据应用的不同，可以重复以上步骤得到目标厚度的薄膜。实验例4
本实施例为一种用于光电器件的高透射率(100)-取向的LaNiO3纳米薄膜电极，通过调节不同的溶液浓度，得到不同厚度的薄膜。

上述薄膜电极的制备方法为
(1)前驱体溶液的制备采用溶胶凝胶法，按摩尔比1:1称取硝酸镧和硝酸镍，溶于摩尔比为1 :1的水和乙醇中，再加少量柠檬酸和聚乙二醇，配制成前驱体溶液，溶液浓度为 0. 15mol/L，其中溶剂的摩尔比为水乙醇柠檬酸聚乙二醇=200 200 2 1 ；
(2)LaNi03薄膜材料的制备采用层层退火工艺，先用旋转涂膜法将前驱体溶液沉积在衬底材料上，然后将材料放置在热板上烘干，将干燥的薄膜置于快速退火炉中热处理，热处理工艺特征在于在氧气气氛下从350°C以10°C /分钟的速率升温到450°C，450°C预处理 10°C，再以15°C /分钟的速率升温到600°C，在氮气气氛下退火20分钟，退火温度为630°C， 得到致密薄膜。用扫描电子显微镜测得厚度为17nm，原子力显微镜测得的表面粗糙度为 0. 850nm，用四探针测试仪测得电阻率为1. 3X 10_4Ω · cm。根据应用的不同，可以重复以上步骤得到目标厚度的薄膜。
权利要求
1.一种P型高透射率高(100)-取向的LaNiO3薄膜的制备方法，其特征是采用以下步骤(1)前驱体溶液的制备采用溶胶凝胶法，按摩尔比1:1称取硝酸镧和硝酸镍作为溶质，溶于摩尔比1:1混合的水和乙醇中，加入柠檬酸和聚乙二醇，配制成前驱体溶液，溶剂摩尔比水乙醇柠檬酸聚乙二醇为=200 200 2 :1，溶液浓度为0. 08 0. 20mol/L ；(2)LaNiO3薄膜材料的制备采用层层退火工艺，先用旋转涂膜法将前驱体溶液沉积在衬底材料上，然后将材料放置在热板上烘干，将干燥的薄膜置于快速退火炉中热处理，热处理工艺特征在于在氧气气氛下从350°C以10°C /分钟的速率升温到450°C，450°C预处理lOmin，再以15°C /分钟的速率升温到600°C，在氮气气氛下退火20分钟，退火温度为 600°C 650°C，得到 LaNiO3 薄膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所制得的LaNiO3薄膜厚度小于50nm，电阻率为1 X 1(Γ4Ω · cm 2 X 1(Γ4Ω · cm,表面粗糙度不大于lnm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于衬底材料为石英、玻璃、硅片或者金属薄片，所述金属薄片为M片或Cu片。
全文摘要
本发明涉及微电子与光电子材料领域，特别涉及一种p型高透射率(100)-取向的LaNiO3纳米导电薄膜的制备方法。采用以下步骤按摩尔比1:1称取硝酸镧和硝酸镍作为溶质，溶剂水乙醇柠檬酸聚乙二醇摩尔比为=20020021，溶液浓度为0.08～0.20mol/L；将前驱体溶液沉积在衬底材料上烘干，热处理氧气气氛下从350℃以10℃/分钟的速率升温到450℃，450℃预处理10min，再以15℃/分钟的速率升温到600℃，在氮气气氛下退火20分钟，退火温度为600℃～650℃。提高了LaNiO3薄膜电极的表面均匀性和极化程度，(100)取向度高，表面粗糙度小，电阻率低，透射率高。
文档编号C23C20/08GK102154636SQ201010593790
公开日2011年8月17日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者孙雯, 杨长红, 武卫兵, 焦璐, 胡广达, 钟仿仿 申请人:济南大学