专利名称：一种高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种钛酸铅基铁电薄膜的制备方法。
背景技术：
近年来，铁电陶瓷及其薄膜材料，尤其是铅基铁电薄膜由于具有优良的 铁电、热释电、电光、声光及非线性光学特性，在微电子和光电子领域，尤
其是高容量存储器和非制冷红外探测器方面具有广泛的应用前景，自20世纪 90年代以来，对这类铁电薄膜材料的研究在国内外都是前沿和热门课题。在 铁电薄膜材料和器件的制备方面，目前已经取得较大进展。钛酸铅(PT)基薄 膜作为一种铁电材料，具有存在自发极化及高介电常数的特性，是一种被人 们视为最有前途的存储介质之一。当然如果可以在硅衬底上象生长Si02—样 制备出高品质的钛酸铅(PT)基铁电薄膜，那么硅基铁电薄膜在微电子技术中 的应用将可以前进一大步。但现有钛酸铅(PT)基铁电薄膜在晶化过程中易与 电极发生互扩散，在界面处产生缺陷，从而导致铁电性能下降的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有方法制备出的钛酸铅基薄膜在晶化过程中 易与电极发生互扩散，在界面处产生缺陷，从而导致铁电性能下降的问题，提 供了一种高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的制备方法。
制备高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的方法按以下步骤实现 一、在基
底上沉积一层厚度为l 10nm的钛酸铅镧钙系铁电薄膜；二、在钛酸铅镧钙系 铁电薄膜上沉积一层厚度为200 1000nm的钛酸铅系铁电薄膜，然后在温度为 550 70(TC条件下进行热处理2 5min，即得高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄 膜；其中步骤一中钛酸铅镧钙系铁电薄膜的分子式为(Pbk.yLaxCay) IVwCb, 其中0《X《0.24, 0《Y《0.24。
本发明采用二次沉积的方法制得的高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜晶 粒大小均匀，且在大小分布规则。
本发明在制备过程中基底中间界面层生成了非连续的钛酸铅镧钙系铁电
4薄膜岛状结构，而这种非连续结构的引入增加了钛酸铅(PT)基铁电薄膜的形 核质点，使铁电薄膜的极化反转更加容易，更加的不会与电极发生扩散，极 大地提高了铁电性能(剩余极化强度为55 65pC/cm2，矫顽场为50 55Kv/cm)。
本发明工艺简单、设备简单及所用原材料价格低廉、市场上即可购得、 成本低，易于器件集成，适合于工业化生成。
图l是具体实施方式
二十三中所得高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的 扫描电子显微镜照片，图2是现有激光蒸发沉积法制备的钛酸铅铁电薄膜扫描 电子显微镜照片，图3是经过具体实施方式
二十三处理后Pt/Ti/SiCVSi基底的 原子力显微镜照片，图4现有Pt/Ti/Si(VS遂底的原子力显微镜照片，图5是具 体实施方式二十三得到的高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的原子力显微镜 照片，图6为现有激光蒸发沉积法制备的钛酸铅铁电薄膜的原子力显微镜照 片，图7为具体实施方式
二十三中高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜与激光蒸 发沉积法制备的钛酸铅铁电薄膜的铁电性能曲线图，图中"- -"为高铁电 性能复合的钛酸铅基铁电薄膜铁电性能曲线，"-。_"为激光蒸发沉积法制 备的钛酸铅铁电薄膜铁电性能曲线。
具体实施例方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施 方式间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式制备高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的
方法按以下步骤实现 一、在基底上沉积一层厚度为1 10nm的钛酸铅镧钙 系铁电薄膜；二、在钛酸铅镧钙系铁电薄膜上沉积一层厚度为200 1000nm 的钛酸铅系铁电薄膜，然后在温度为550 70(TC条件下进行热处理2 5min， 即得高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜；其中步骤一中钛酸铅镧钙系铁电薄 膜的分子式为(Pbk.yLaxCay) TiL^O^其中0《X《0.24， 0《Y《0.24。 本实施方式中所使用的原材料均为市场所售。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤一中基 底为Pt/Ti/Si02/Si基底。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二的不同点是步骤一 中0.10<X<0.20。其它步骤及参数与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一或二的不同点是步骤一
中0.12<X<0.18。其它步骤及参数与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一或二的不同点是步骤一 中X二0.15。其它步骤及参数与具体实施方式
一或二相同。
本实施方式得到的钛酸铅镧钙系铁电薄膜的分子式为(Pbo^yCay)Ti03。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一或二的不同点是步骤一 中乂=0。其它步骤及参数与具体实施方式
一或二相同。
本实施方式得到的钛酸铅镧钙系铁电薄膜的分子式为(PbLyCay)Ti03。
本实施方式所使用的沉积液为(PbLyCay) Ti03溶胶。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一或二的不同点是步骤一 中0.10<Y<0.20。其它步骤及参数与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一或二的不同点是步骤一 中Y二0.15。其它步骤及参数与具体实施方式
一或二相同。
本实施方式得到的钛酸铅镧钙系铁电薄膜的分子式为(Pb。.85.山^Ca(U5)
Ti1-x/4C)3。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一或二的不同点是步骤一 中Y二O。其它步骤及参数与具体实施方式
一或二相同。
本实施方式得到的钛酸铅镧钙系铁电薄膜的分子式为(PbkL^)Ti^403。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤一中沉 积方式采用溶胶凝胶旋涂法，旋涂速率为5500r/s,旋涂时间为30s，沉积液 为浓度为0.05mol/L钛酸铅镧钙系铁电薄膜溶胶。其它步骤及参数与具体实 施方式一相同。 '
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤一中 钛酸铅镧钙系铁电薄膜的厚度为2 8nm。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十二本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤一中 钛酸铅镧钙系铁电薄膜的厚度为5nm。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤二中 钛酸铅系铁电薄膜为钛酸铅铁电薄膜、锆钛酸铅铁电薄膜或铌-锆钛酸铅铁电 薄膜。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
十三的不同点是步骤二 中在钛酸铅镧钙系铁电薄膜上沉积钛酸铅铁电薄膜选用溶胶凝胶旋涂法，旋
涂速率为5500r/s，旋涂时间为30s，沉积液浓度为0.4mol/L钛酸铅铁电薄膜 溶胶。其它步骤及参数与具体实施方式
十三相同。
具体实施方式
十五本实施方式与具体实施方式
十三的不同点是步骤二
中在钛酸铅镧钙系铁电薄膜上沉积锆钛酸铅铁电薄膜选用溶胶凝胶旋涂法，
旋涂速率为4500r/s，旋涂时间为30s，沉积液浓度为0.4mol/L为锆钛酸铅铁 电薄膜溶胶。其它步骤及参数与具体实施方式
十三相同。
具体实施方式
十六本实施方式与具体实施方式
十三的不同点是步骤二 中在钛酸铅镧钙系铁电薄膜上沉积铌-锆钛酸铅铁电薄膜选用溶胶凝胶旋涂 法，旋涂速率为4500r/s，旋涂时间为30s，沉积液浓度为0.3mol/L铌-锆钛酸 铅铁电薄膜溶胶。其它步骤及参数与具体实施方式
十三相同。
具体实施方式
十七本实施方式与具体实施方式
一、十三、十四、十五 或十六的不同点是步骤二中以20 60°C/s升温速度升温至500 700"C。其它 步骤及参数与具体实施方式
一、十三、十四、十五或十六相同。
具体实施方式
十八本实施方式与具体实施方式
一、十三、十四、十五 或十六的不同点是步骤二中以4(TC/s升温速度升温至600°C。其它步骤及参 数与具体实施方式
一、十三、十四、十五或十六四相同。
具体实施方式
十九本实施方式与具体实施方式
一、十三、十四、十五 或十六的不同点是步骤二中以50°C/s升温速度升温至650°C。其它步骤及参 数与具体实施方式
一、十三、十四、十五或十六相同。
具体实施方式
二十本实施方式与具体实施方式
一、十三、十四、十五 或十六的不同点是步骤二中以10'C/s升温速度升温至625t:。其它步骤及参 数与具体实施方式
一、十三、十四、十五或十六相同。
具体实施方式
二十一本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤二中热处理时间为3min。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
二十二本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤二
中热处理时间为4min。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
二十三本实施方式制备被优化的钛酸铅基铁电薄膜的方
法按以下步骤实现 一、在Pt/Ti/Si02/Si基底上沉积一层厚度为5nm、分子
式为(Pb。.sLa(uCa(u)Tio.97503的钛酸铅镧钙系铁电薄膜；二、在钛酸铅镧钙系
铁电薄膜上沉积一层厚度为500nm的钛酸铅铁电薄膜，然后在温度为625°C 条件下进行热处理3min,即得高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜。
本实施得到的高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的扫描电子显微镜照片 如图1所示，从图1中可以看出本实施方式得到的高铁电性能复合钛酸铅基 铁电薄膜晶粒大小均匀且分布规则；现有激光蒸发沉积法制备的钛酸铅铁电 薄膜(PbTi03)扫描电子显微镜照片如图2所示，从图2中可以看出现有钛酸 铅基铁电薄膜晶粒大小不均匀，且在大小分布不规则。
经过本实施方式处理后Pt/Ti/Si02/Si基底的原子力显微镜照片如图3所 示，从图3可以看出经过处理后Pt/Ti/Si02/Si基底上面存在着一些较为规则 的非连续岛状结构，表面粗糙度相对较大(2.119nm);而现有Pt/Ti/Si02/Si基 底的原子力显微镜照片如图4所示，从图4可以看出Pt/Ti/Si02/Si基底本身 表面光滑，粗糙度较低仅为1.102nm。
本实施方式得到的高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的原子力显微镜照 片如图5所示，现有激光蒸发沉积法制备的钛酸铅铁电薄膜(PbTi03)的原子 力显微镜照片如图6所示，相对于为现有方法制备的钛酸铅基铁电薄膜，从 图6中可以看出本实施方式得到的钛酸铅基铁电薄膜的晶粒变小，单位体积 内晶粒密度增加，分布均匀。通过基底界面优化，界面层产生的非连续岛状 结构有效的降低薄膜结晶形核所需要的能量，增加了形核质点，提高了形核 密度，优化了薄膜的质量。
本实施方式得到的高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜与现有激光蒸发沉 积法制备的钛酸铅铁电薄膜(PbTi03)的铁电性能曲线如图7所示，从图7中 可以看出相对于现有激光蒸发沉积法制备的钛酸铅铁电薄膜(PbTi03)，本实 施方式得到的高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜剩余极化强度明显增加，矩形度也得到极大地改善，经过本实施方式的界面优化使钛酸铅基薄膜铁电性 能的提高起到了积极的作用。
本实施方式得到的高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜具有优异的铁电性
能(剩余极化强度为65C/cm2，矫顽场为55Kv/cm)。
具体实施方式
二十一:本实施方式制备被优化的钛酸铅基铁电薄膜的方 法按以下步骤实现 一、在Pt/Ti/Si02/Si基底上沉积一层厚度为8nm、分子 式为PbTi03的钛酸铅镧钙系铁电薄膜；二、在钛酸铅镧l^系铁电薄膜上沉积 一层厚度为400nm的锆钛酸铅铁电薄膜，然后在温度为温度为60(TC条件下 进行热处理4min，即得高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜。
本实施方式得到的高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜晶粒大小均匀，且 在大小分布规则，并具有优异的铁电性能(剩余极化强度为60为C/cm2，矫 顽场为50Kv/cm)。
具体实施方式
二十二:本实施方式制备被优化的钛酸铅基铁电薄膜的方 法按以下步骤实现 一、在Pt/Ti/Si02/Si基底上沉积一层厚度为8nm、分子
式为(Pbo.85Ca(H5)Ti03的钛酸铅镧钙系铁电薄膜；二、在钛酸铅镧钙系铁电薄
膜上沉积一层厚度为300nm的铌-锆钛酸铅铁电薄膜，然后在温度为温度为 70(TC条件下进行热处理5min，即得高铁电性能复合钕酸铅基铁电薄膜。
本实施方式得到的高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜晶粒大小均匀，且 在大小分布规则，并具有优异的铁电性能(剩余极化强度为62MC/cm2，矫顽 场为54Kv/cm)。
权利要求
1、一种高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的制备方法，其特征在于制备高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的方法按以下步骤实现一、在基底上沉积一层厚度为1～10nm的钛酸铅镧钙系铁电薄膜；二、在钛酸铅镧钙系铁电薄膜上沉积一层厚度为200～1000nm的钛酸铅系铁电薄膜，然后在温度为550～700℃条件下进行热处理2～5min，即得高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜；其中步骤一中钛酸铅镧钙系铁电薄膜的分子式为(Pb1-x-yLaxCay)Ti1-x/4O3，其中0≤X≤0.24，0≤Y≤0.24。
2、 根据权利要求1所述的一种高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的制备 方法，其特征在于步骤一中基底为Pt/Ti/Si02/Si基底。
3、 根据权利要求1或2所述的一种高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的 制备方法，其特征在于步骤一中0.10<X<0.20。
4、 根据权利要求1或2所述的一种高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的 制备方法，其特征在于步骤一中0.10<Y<0.20。
5、 根据权利要求1所述的一种高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的制备 方法，其特征在于步骤一中沉积方式采用溶胶凝胶旋涂法，旋涂速率为 5500r/s，旋涂时间为30s，沉积液为浓度为0.05mol/L钛酸铅镧钙系铁电薄膜溶胶。
6、 根据权利要求1所述的一种高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的制备 方法，其特征在于步骤二中钛酸铅系铁电薄膜为钛酸铅铁电薄膜、锆钛酸铅 铁电薄膜或铌-锆钛酸铅铁电薄膜。
7、 根据权利要求6所述的一种高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的制备 方法，其特征在于步骤二中在钛酸铅镧钙系铁电薄膜上沉积钛酸铅铁电薄膜 选用溶胶凝胶旋涂法，旋涂速率为5500r/s，旋涂时间为30s，沉积液浓度为 0.4mol/L钛酸铅铁电薄膜溶胶。
8、 根据权利要求6所述的一种高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的制备 方法，其特征在于步骤二中在钛酸铅镧钙系铁电薄膜上沉积锆钛酸铅铁电薄 膜选用溶胶凝胶旋涂法，旋涂速率为4500r/s，旋涂时间为30s，沉积液浓度 为0.4mol/L为锆钛酸铅铁电薄膜溶胶。
9、 根据权利要求6所述的一种高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的制备 方法，其特征在于步骤二中在钛酸铅镧钙系铁电薄膜上沉积铌-锆钛酸铅铁电 薄膜选用溶胶凝胶旋涂法，旋涂速率为4500r/s，旋涂时间为30s，沉积液浓 度为0.3mol/L铌-锆钛酸铅铁电薄膜溶胶。
10、 根据权利要求l、 6、 7、 8或9所述的一种高铁电性能复合钛酸铅基 铁电薄膜的制备方法，其特征在于步骤二中以20 60°C/s的升温速度升温至 500 700°C。
全文摘要
一种高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜的制备方法，它涉及一种钛酸铅基铁电薄膜的制备方法。它解决了现有方法制备出的钛酸铅基薄膜在晶化过程中易与电极发生互扩散，在界面处产生缺陷，从而导致铁电性能下降的问题。制备方法一、在基底上沉积钛酸铅镧钙系铁电薄膜；二、在钛酸铅镧钙系铁电薄膜上沉积钛酸铅系铁电薄膜，然后进行热处理，即得高铁电性能复合钛酸铅基铁电薄膜。本发明制备过程中基底中间界面层生成了非连续的岛状结构，这种非连续结构的生成增加了钛酸铅基铁电薄膜的形核质点，使铁电薄膜的极化反转更加容易，极大地提高了铁电性能。本发明工艺简单、设备简单及所用原材料价格低廉、成本低，并易于器件集成，适合于工业化生成。
文档编号B05D1/36GK101607248SQ20091007248
公开日2009年12月23日 申请日期2009年7月9日 优先权日2009年7月9日
发明者李伟力, 费维栋, 迟庆国 申请人:哈尔滨工业大学