[发明专利]一种利用纳米晶自组装过程制备纳米结构钛酸锶钡铁电薄膜的方法

说明书

技术领域：

本发明属于先进纳米结构材料和器件领域，涉及一种通过纳米晶自组装过程制备纳米结构钛酸锶钡铁电薄膜的方法，对超高密度铁电存储器平面纳米有序阵列结构和相关微电子或纳米电子学器件的制备具有重要应用价值。

背景技术：

纳米材料是自20世纪80年代中期得到迅速发展的一种先进材料。由于其本身存在量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，故常表现出许多独特的性质和功能，在化工、电子、食品、生物和医药等领域有着广泛的用途。尤其在微电子加工领域，人们采用“自上而下(top down)”的模式将大规模集成电路线宽向纳米尺度推进时遇到了困难，基于“自下而上(bottom up)”概念的纳米自组装技术及其有序结构材料展示出了巨大的潜能，因而纳米有序结构材料和器件的研究成为当今纳米材料领域中的研究热点。纳米有序结构材料是把纳米结构单元依照一定的规律在二维或三维空间构筑成形形色色的纳米结构或器件，它的性能取决于结构单元的性质和结构单元间的相互作用，人们可以通过调整纳米结构单元的尺寸和相互作用参数，实现对纳米有序结构材料物性的人工控制。

目前用于构筑无机纳米有序结构功能材料或器件的结构单元主要是各种半导体和氧化物的纳米晶，它们是粒径为纳米尺度的单晶颗粒。由于纳米晶的能带间隙较大，因而表现出许多独特的电学、磁学和光学性能。例如金属纳米晶的电导率很低，磁性纳米晶表现出超顺磁性，半导体纳米晶的吸收光和发射光的波长随纳米晶的粒径变化而变化等，使得纳米晶成为发光二极管、单电子晶体管、存储器等各种微纳米电子器件中重要的组成部分。功能氧化物纳米晶(如磁性、铁电、压电氧化物等纳米晶)自组装后可望制作数据存储器件，极大地提高存储密度和响应速度，从而进一步推动微电子学技术向纳米电子学技术发展。

钛酸锶钡是一种性能优异的铁电材料，具有高相对介电常数、低介质损耗、居里温度随着组成而改变以及相对介电常数随电场非线性变化等特点，其薄膜材料在超大规模动态存储器、非挥发性铁电存储器和微波调谐器等领域具有重要的应用价值，是半导体-铁电集成微电子器件领域最广泛研究的材料之一。目前，高质量钛酸锶钡薄膜的制备主要通过磁控溅射法、化学气相沉积法和脉冲激光沉积法等。为实现铁电薄膜的纳米阵列结构化，聚焦离子束技术、电子束刻写和纳米压印等平面微电子器件加工技术首先得到了使用。显然，这些方法和技术都依赖于各种价格昂贵薄膜沉积装置和精细的微电子器件加工设备。本发明提供一种利用纳米晶自组装过程制备纳米结构钛酸锶钡铁电薄膜的方法，此方法的优点在于不需要价格昂贵薄膜沉积生长装置和精细的微电子器件加工设备，组装过程容易操控。本发明的方法对于其它功能性铁电氧化物纳米晶自组装形成铁电纳米薄膜，有着同样重要的意义。

发明内容：

本发明的目的是提供一种利用纳米晶自组装过程制备纳米结构钛酸锶钡铁电薄膜的方法，此方法的优点在于不需要价格昂贵薄膜沉积装置和精细的微加工设备；通过合适浓度纳米晶分散液的配制和有机溶剂在纳米晶分散液铺展过程中挥发速度的控制，实现钛酸锶钡铁电纳米晶在Si衬底平面上直接自组装形成具有纳米结构的铁电薄膜。

本发明的技术方案为：本发明将具有规则形貌的钛酸锶钡纳米晶进行表面修饰，然后分散在含有铺展性能与挥发性能好的有机试剂中形成高稳定纳米晶分散液，进而将纳米晶分散液定量转移到单晶Si片或Pt/Ti/SiO₂/Si片衬底表面上，通过控制有机溶剂挥发速度来调控纳米晶分散液在Si衬底表面的铺展速度，借助纳米晶颗粒间相互作用力，在衬底表面上自组装成紧密排列的单层或多层纳米晶薄膜。

本发明的具体技术方案：一种利用纳米晶自组装过程制备纳米结构钛酸锶钡铁电薄膜的方法，其具体步骤如下：

A.将具有规则形貌的钛酸锶钡纳米晶在醇热(glycothermal)条件下进行晶粒表面的油酸分子修饰，以使其在非极性有机溶剂中达到完全的分散；

B.将油酸分子修饰后钛酸锶钡纳米晶从醇热液相中分离出，通过洗涤去除醇热过程残余液相和物理吸附油酸分子，继而通过干燥得到油酸分子修饰的钛酸锶钡纳米晶；

C.以分析纯环己烷、正己烷和正辛烷为组分溶剂，按一定比例配制混合有机溶剂，将步骤B得到的油酸修饰钛酸锶钡纳米晶在超声条件下分散于所配制的有机溶剂中，形成透明的高稳定的钛酸锶钡纳米晶分散液；

D.将经过丙酮、酒精洗涤后的单晶Si片或做有上电极的Pt/Ti/SiO₂/Si片平放在一杯型玻璃容器中，在其周边对称放置圆形中速滤纸，并将玻璃容器开口用透明塑料薄膜密封；