一种超薄镍酸镧薄膜电输运性能的优化方法与流程

文档序号：12056974阅读：357来源：国知局

本发明涉及一种氧化物薄膜电学性能的优化方法，具体地说是涉及一种超薄镍酸镧(LaNiO₃)薄膜电输运性能的优化方法。

背景技术：

镍酸盐族氧化物具有优良的导电性能和化学稳定性能，其薄膜材料可用作铁电微器件的底电极，在微电子学、光电子学和硅读出电路的电子元器件等研究领域具有广阔的应用前景。在镍酸盐族中，在全温区表现为金属特性的镍酸镧（分子式LaNiO₃）具有较低的电阻率和泡利顺磁等特性，被广泛用于铁电存储器件和多层驱动器的电极、缓冲层或过渡层材料。在存储器件中，LaNiO₃薄膜的界面效应能够有效防止氧空位在电极处的堆积，其较低的电阻率与金、铂等贵金属薄膜相近。同时，与铁电氧化物具有良好的晶格匹配性，薄膜附着力比金、铂电极强，构成欧姆接触的异质结界面有良好的电接触性能。近年来，基于器件的微小化发展趋势，元器件的设计要求在保证电极层具有高电导率的同时，要求其厚度越薄越好。然而，随着LaNiO₃薄膜厚度减小，薄膜与基板的界面会出现死层区，其电阻率在死层区内急剧增大，这极大地限制了LaNiO₃薄膜在铁电微器件中的应用。因此，优化超薄LaNiO₃薄膜材料的电学性能成为研究的重点和难点之一，也是实现其在元器件中广泛应用的关键问题。

研究发现，超薄LaNiO₃（几个纳米尺度）薄膜电阻随温度的变化曲线上会存在电阻最小值，所对应的温度被称为金属-绝缘转变温度。薄膜在低温区出现由金属相到绝缘相转变，使得薄膜的电阻率急剧升高，同时超薄薄膜的界面和表面的散射效应也会使得薄膜整体的电导率降低，这限制了LaNiO₃薄膜在电子元器件中的广泛应用。研究人员认为晶体结构改变、电荷转移和轨道重构等是造成超薄LaNiO₃薄膜的金属-绝缘转变和高电阻率的主要原因，虽然通过利用应力调控、生长条件优化等手段可以改善LaNiO₃薄膜的电输运性能，但是上述手段只能在一定程度上缓解了LaNiO₃薄膜的高电阻率等问题。然而，随着LaNiO₃薄膜厚度的减小，薄膜与基板的电子结构发生相应变化，超薄LaNiO₃薄膜的电学性能受到抑制，并且其电阻率仍然很高。此外，应力或优化参数等方法的工艺复杂，不易控制变量条件，难以在实际当中进行推广应用。因此，开发一种可简单有效优化镍酸镧薄膜电输运性能的方法对于LaNiO₃在铁电功能材料、数据存储材料和智能材料领域的实用化具有重要意义。

技术实现要素：

本发明提供了一种超薄镍酸镧薄膜电输运性能的优化方法，以解决超薄镍酸镧薄膜在电子元器件应用中电阻率高、性能不稳定等问题。

本发明是这样实现的：

一种超薄镍酸镧薄膜电输运性能的优化方法，包括如下步骤：

（a）对SrTiO₃基板进行表面台阶处理，获得具有TiO₂表面台阶的基板；

（b）采用脉冲激光法在步骤（a）所得的基板上沉积LaAlO₃薄膜，使得在LaAlO₃/SrTiO₃界面出现二维电子气；

（c）采用脉冲激光法在步骤（b）所得的LaAlO₃/SrTiO₃上沉积超薄LaNiO₃薄膜。

步骤（a）中，首先将SrTiO₃基板分别在无水乙醇、去离子水中超声清洗；然后将清洗后的基板在酸性溶液中浸泡，再放入去离子水中超声清洗，经退火处理后得到具有TiO₂表面台阶的基板。

步骤（a）中，将SrTiO₃基板分别在无水乙醇、去离子水中超声清洗10 min，重复上述操作两次；然后将清洗后的基板在10 mol/L的氟化铵水溶液中浸泡30 s，再放入去离子水中超声清洗10 min，经1050 ℃退火2 h后得到具有TiO₂表面台阶的基板，台阶宽度为100 nm。

步骤（b）中，在沉积温度为750 ℃、氧压为10^-4 Pa的条件下，在步骤（a）所得的基板上沉积LaAlO₃薄膜。

步骤（b）中，所沉积的LaAlO₃薄膜厚度为1~40 个单胞。

步骤（b）中，沉积LaAlO₃薄膜后，在1200 ℃下进行原位退火处理。

步骤（c）中，在沉积温度为750 ℃、氧压为30 Pa的条件下，在LaAlO₃/SrTiO₃基板上沉积LaNiO₃薄膜。

步骤（c）中，所沉积的LaNiO₃薄膜厚度为6个单胞。

步骤（b）和（c）中，薄膜沉积的激光能量为1 J/cm²，脉冲激光频率为2 Hz，靶材与基板之间的距离为4.5 cm。

本发明首先采用酸将SrTiO₃基板处理为具有特定宽度的原子级别的台阶状态，表面层单胞为TiO₂，然后在其上沉积LaAlO₃薄膜，界面处形成一层二维电子气，最后再沉积LaNiO₃薄膜，从而降低LaNiO₃的电阻率。LaNiO₃金属-绝缘转变出现的温度可通过控制LaAlO₃的厚度和生长条件进行调控，解决超薄LaNiO₃薄膜低温区电阻率高的问题，满足铁电微器件的底电极材料的要求。本发明制备工艺简单，适用范围广，利于实用化，具有广泛应用前景。

附图说明

图1为对比例1中经处理后的SrTiO₃基板表面台阶的形貌图。

图2为对比例1中所制备LaAlO₃薄膜表面形貌图，图中，STO为SrTiO₃的缩写，LAO为LaAlO₃的缩写。

图3为对比例1所制备LaAlO₃薄膜和实施例1所制备的LaNiO₃/LaAlO₃异质结薄膜的X射线衍射谱图，图中，STO为SrTiO₃的缩写，LAO为LaAlO₃的缩写，LNO为LaNiO₃的缩写。

图4为对比例1中所制备LaAlO₃薄膜的电阻率随温度变化的曲线。

图5为对比例2中所制备LaNiO₃薄膜的电阻率随温度变化的曲线。

图6为实施例1所制备的LaNiO₃/LaAlO₃异质结薄膜表面形貌图，图中，STO为SrTiO₃的缩写，LAO为LaAlO₃的缩写，LNO为LaNiO₃的缩写。

图7为实施例1所制备的LaNiO₃/LaAlO₃异质结薄膜的透射电子显微镜谱图，图中，STO为SrTiO₃的缩写，LAO为LaAlO₃的缩写，LNO为LaNiO₃的缩写。

图8为实施例1所制备的LaNiO₃薄膜的电阻率随温度变化的曲线。

图9为实施例2所制备的LaNiO₃薄膜的电阻率随温度变化的曲线。

图10为实施例3所制备的LaNiO₃薄膜的电阻率随温度变化的曲线。

图11为实施例4所制备的LaNiO₃薄膜的电阻率随温度变化的曲线。

图12为实施例5所制备的LaNiO₃薄膜的电阻率随温度变化的曲线。

图13为实施例6所制备的LaNiO₃薄膜的电阻率随温度变化的曲线。

图14为实施例1~6中所制备的LaNiO₃薄膜和未给出实施例的其他厚度LaNiO₃薄膜的金属绝缘转变温度随LaAlO₃厚度增加的变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的超薄镍酸镧薄膜电输运性能的优化方法作进一步详细说明。

下述实施例中所用试剂均为分析纯或化学纯，且均可市购或通过本领域普通技术人员熟知的方法制备。下述实施例均实现了本发明的发明目的。

对比例1

将SrTiO₃ (001)基板分别在无水乙醇（含量99.7%）、去离子水（电导率为0.1 us/cm）中超声10 min，重复上述操作两次。将清洗后的基板在10 mol/L的氟化铵水溶液中浸泡30 s，再放入去离子水中超声波清洗30 s；随后将基板放入带盖的坩埚中，送入管式退火炉中进行退火处理，2 h升温至1050 ℃，保温2 h后自然冷却降温，得到处理后的具有100 nm TiO₂台阶宽度的基板，图1示出了该基板的表面形貌。

将处理后的基板安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，设定靶材与基板之间的距离为4.5 cm，调整脉冲激光的能量与聚焦镜的位置，确保激光轰击在靶材上的能量密度为1 J/cm²，脉冲激光频率为2 Hz，在沉积温度为750 ℃、氧压为10^-4Pa的条件下，分别在处理后的SrTiO₃(001)基板上沉积厚度为6个单胞的LaAlO₃薄膜，1200 ℃退火0.5 h，图2示出了该薄膜的表面形貌。

图3示出了所得样品的X射线衍射谱图，从图中可以看出，LaAlO₃薄膜沿（001）面的晶体取向外延生长。利用多功能物性测量系统对LaAlO₃薄膜的电输运性能进行表征，图4示出了该LaAlO₃薄膜的电阻率随温度的变化曲线，从图中可以看出，电阻率随温度降低而逐渐降低。

对比例2

利用多功能物性测量系统对LaNiO₃薄膜的电输运性能进行表征，图5示出了LaNiO₃薄膜的电阻率随温度的变化曲线，电阻率随温度降低而逐渐升高。

实施例1