[发明专利]一种氧化锌铁电薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜生长领域，特别涉及氧化锌铁电薄膜及其制备方法。

背景技术

铁电材料是一种应用非常广泛的功能材料。铁电材料往往具有很大的介电常数，是制作电容器的主要原料。极化后的铁电材料是优良的压电材料，被广泛应用于各种水声和超声换能器的制作。铁电材料在新技术发展中占有重要的地位。近10年来，铁电薄膜材料的发展极为迅速，其应用日益广泛。热释电红外探测器、微机械电子系统器件和非易失铁电随机存取存储器等领域成为目前研究的热点。由于铁电材料的应用非常广泛，不同的应用对铁电材料提出了不同的要求，现有的铁电材料很难完全满足应用的要求，因此，探索研制新型的铁电材料具有非常重要的意义。

氧化锌是一种典型的II-VI族化合物半导体材料，具有很宽的带隙(3.37eV)，很大的激发子束缚能(exciton binding energy，室温下60meV)，很好的化学稳定性以及生物适合性。另外，各种形态的氧化锌纳米结构很容易制备。这预示着氧化锌将会在很多领域发挥着极高的应用价值。尽管氧化锌是一种压电材料，但它不具有铁电性。一旦氧化锌具有铁电性，将会对氧化锌的应用产生促进作用。目前，已有研究者通过掺杂的方法尝试制备铁电性的氧化锌薄膜。其原理是这样的：氧化锌晶体属于纤锌矿结构。每个锌原子和四个氧原子相连，四个氧原子构成一个正四面体结构，锌原子位于正四面体的中心。同样每个氧原子和四个锌原子相连，氧原子位于锌原子构成的正四面体的中心。当锌原子被比它小的原子(例如锂原子)取代之后，该原子会向正四面体的底面偏离。这样就产生了电偶极矩，也就产生了电畴，使得氧化锌具有了铁电性质。

目前，制备铁电性氧化锌的技术还非常有限，大部分的掺杂是采用气相沉积的方法。例如，M.Joseph等采用脉冲激光沉积的方法制备氧化锌薄膜，并测试其铁电特性(M.Joseph，H.Tabata，and T.Kawai，Ferroelectric behavior of Li-doped ZnO thin films on si(100)by pulsedlaser deposition，Applied Physics Letters，Volume 34，Number 17，Page 2534)。制备是在真空腔室中进行的。真空腔室的真空度在涡轮分子泵的抽吸下可以保持在1×10^-5Torr。向真空腔室通入氧气，氧气的压强保持在6×10^-4Torr。加热硅基底，温度保持在550℃。使用脉冲激光器轰击靶材(Zn_1-xLi_xO)使之沉积到基底上，在基底上生成具有铁电性质的氧化锌薄膜。

溶液法是氧化锌薄膜制备的一种重要手段。和气相法相比，溶液法特点是实验设备简单，稳定性高，适合大面积制备。如果在溶液中实现氧化锌的锂掺杂，制备出具有铁电性的氧化锌薄膜，将会对氧化锌的应用产生巨大的影响。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种制备氧化锌铁电薄膜的方法。

本发明的技术方案是采用阳极氧化为手段，氢氧化锂作为电解液制备氧化锌薄膜，实现了氧化锌在溶液法生长过程中的锂掺杂，获得了具有铁电性质的氧化锌薄膜。具体包括以下几个步骤：

(1)清洗锌片，除去锌片表层的氧化物并使之平整；

(2)以0.3～0.5摩尔/升的氢氧化锂水溶液作为电解液，阳极氧化锌片，在锌片表面形成锂掺杂的氧化锌薄膜；

(3)将带氧化锌铁电薄膜的锌片从电解液中取出，用去离子水冲洗干净。

上述步骤(1)可以采用电抛光的方法除去锌片表层的氧化物，并使锌片表面趋于平整。将高纯锌片和另一金属片(如铂)插入抛光液中形成二极结构，锌片与电源的正极相连，电源的负极与所述金属片相连，通电流0.6～1A大约3～5分钟即可。电抛光完毕后，将锌片取出，用去离子水冲洗干净。所用的抛光液一般为重量百分比为35％的磷酸乙醇溶液。

上述步骤(2)锌片的阳极氧化是将清洗后的锌片与电化学测试系统的阳极相连，将另一金属片(如铂片)与测试系统的阴极相连，二者与电解液接触。启动测试系统，保持电流30～50mA，反应开始进行：

首先，锌失去电子成为锌离子。

Zn-2e→Zn²⁺

然后，有一部分锌离子进入溶液中，而溶液中的氧离子在电场的作用下进入锌片表层中和锌离子结合生成氧化锌。

Zn²⁺O^2-→ZnO