[发明专利]钛酸铋镧(BLT)铁电薄膜的低温制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及层状钙钛矿型Bi_3.15La_0.75Ti₃O₁₂(BLT)铁电薄膜的制备方法，特别是采用络合剂络合技术与水热反应技术相结合的低温制备方法。

背景技术

随着铁电随机存取存储器(FRAM)在各种公用事业用表(如电表、水表、煤气表等)、测量和医疗仪表、非接触式智能卡、门禁系统和汽车黑匣子当中得到了日益广泛的应用。FRAM是当前铁电薄膜存储器的主要研究和开发方向，是国际上十分重视的领域。作为FRAM材料，被认为最有机会的两种材料为锆钛酸铅(PZT)与钽酸锶铋(SBT)，其中PZT具有较佳的铁电特性，制备温度较低(600℃)，但其有极化疲劳和铅污染的问题。钛酸锶铋(SBT)材料号称没有疲劳，但SBT的制备温度较高(750℃)，残存极化值较小，且自发极化出现在薄膜不易发生择优取向的α轴方向。为了满足FRAM精细化和低电压化的需要，人们还开发出了诸如钛酸铋镧(BLT-(Bi，La)₄Ti₃O₁₂)等其他种类的铁电材料。BLT将作为下一个突破性发展的铁电材料，因为它具有残存极化值与饱和极化值的比值接近1。BLT铁电薄膜材料的制备的各种手段，方法层出不断。主要有物理法包括磁控溅射和脉冲激光沉积法等，这类方法原料易得，但制膜设备复杂昂贵，多组分材料不易控制；化学法包括气相法和液相法。气相法包括化学气相沉积法、金属有机物分解法和金属有机物法化学气相沉积法等；液相法包括溶胶凝胶法、高聚物前驱体法等。不论是气相法还是液相法，使用的原料都是金属有机盐化合物，非常昂贵。且溶胶凝胶法制备的铁电薄膜漏电流较大，成膜温度较高。如何在标准型Pt/Ti/SiO₂/Si衬底上实现层状钙钛矿型：钛酸铋镧(BLT)铁电薄膜，是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点。以无机物为原料，采用络合剂络合技术，利用无机盐液相化学法与水热反应相结合低温制备钛酸铋镧(BLT)铁电薄膜。该方法制备工艺简单，制备温度低、操作方便，成本较低，可与微电子技术兼容。

本发明的技术方案如下：

一：前驱体溶液配制

按摩尔比为Bi∶La∶Ti＝3.15×(1.00-1.06)∶0.75∶3称量硝酸铋(Bi(NO₃)₃·5H₂O)，硝酸镧(La(NO₃)₃·6H₂O)，钛酸丁酯(Ti(C₄H₉O)₄)等三种组分，其中×(1.00-1.06)是因为在后续热处理过程中Bi组分有一定的挥发，将Bi组分过量0-10mol％。采用以硝酸铋，硝酸镧，钛酸丁酯，乙二醇和氨水等为原材料，以柠檬酸为鳌合剂。

按化学计量比将一定量硝酸铋和硝酸镧并混合，加入等摩尔量的柠檬酸水溶液，使用磁力搅拌机加热并搅拌，保持温度为45-55℃，直到该混合固体完全溶解，得到含铋，镧的柠檬酸溶液中。将一定量的钛酸丁酯加到等摩尔量的PH值为6-7的柠檬酸溶液中，加热搅拌，保持温度在50-70℃，形成稳定的呈淡黄色透明的溶液，并与含铋，镧的柠檬酸溶液混合，得到含有Ba、La和Ti的前驱体溶液；通过用乙二醇和氨水调节溶液的黏度、PH值(6-7)和总体积，反应时间在3个小时以上，经充分搅拌后，过滤制得0.1-0.5mol/L得淡黄色的前驱体溶液。

二.在匀胶机上甩膜。

在甩胶机上的清洗好的Pt/Ti/SiO₂/Si衬底上，滴上一定量的前驱体溶液，以一定的旋转速度旋转，旋转速度2000-5000rps，匀胶时间为10-40小时，直接沉积钛酸铋镧(BLT)铁电薄膜湿膜；

三.钛酸铋镧(BLT)铁电薄膜湿膜的热处理过程

1)干燥过程：在红外微波炉中100℃-150℃干燥5-30分钟；

2)热处理过程：放入石英管式炉中，室温以升温速率150℃/小时升至350℃-450℃，在氧气流量为1-6升/分钟的流动氧化性气氛下热分解10-50分钟；随炉冷却，重复多次上述的甩胶-热处理过程，形成具有一定结晶相组成且均匀的薄膜；

四.钛酸铋镧(BLT)铁电薄膜低温制备