[发明专利]一种Si衬底Bi3TiNbO9-Bi4Ti3O12自然超晶格铁电薄膜的制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于信息功能薄膜材料领域，特别涉及一种Si衬底Bi₃TiNbO₉-Bi₄Ti₃O₁₂自然超晶格铁电薄膜的制备方法。

背景技术：

铁电晶体属于介质晶体、压电晶体和热释电晶体的一个亚族，所以铁电晶体除铁电性外必然具有介电、压电和热释电性质，透光性的铁电体还具有电光性质。由于铁电体特殊的介电、电光、声光、光折变、非线性光学、热释电和压电性能，是一种极具商业应用前景的材料，因此铁电体的应用很早就引起了物理学界和材料学界的注意。七十年代以来，由于对铁电体认识的深入，人工铁电材料种类的扩大，微电子技术的进步，铁电薄膜制备方法不断取得进展，铁电薄膜器件的工作电压可达3-5V，可与Si或GaAs集成工艺兼容，从而为制作出高速、高密度非易失性铁电存储器、热释电红外探测器、电光调制器件、光放大器等铁电器件开辟了新的途径，在微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域显示出极为广泛的应用前景。Bi₄Ti₃O₁₂铁电薄膜具有与Si衬底非常接近的晶格常数和较好的铁电性能，特别是抗疲劳性能优良，是新型Si集成铁电存储器件、探测器件制备的优选材料之一。目前，该技术领域已成为国际上新材料研究的热点之一。国外Motorola、Siemens公司、日本及韩国的一些研究小组和国内四川大学、复旦大学、清华大学、中国科学院上海硅酸盐研究所等均取得了一些重要进展，但Bi层状钙钛矿结构薄膜的铁电性能，特别是剩余极化性能与实用器件的要求相比，还有较大差距。

超晶格结构通过两种或多种具有相近晶格参数的不同晶体结构交替重组，导致晶格畸变，从而影响材料的性能。因此可以充分利用这种现象来增强铁电材料的极化，从而实现在保持良好疲劳特性基础上改善介电特性、提高铁电性能。超晶格结构薄膜的实现对制备技术有极高的要求。首先，要能交替重复生长出几层、几十层，甚至更多层的厚度仅为几纳米、几十纳米的高质量单晶薄膜；其次，铁电超晶格大多由氧化物组成，因此制作技术受到极大限制。目前，用于制作铁电超晶格的技术主要有分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)等方法。如日本的M.Okuyama教授领导的研究小组采用PLD工艺制备了Bi₃TiNbO₉-Bi₄Ti₃O₁₂(Appl.Phys.Lett.2003，83：1411)和Bi₂MoO₆-Bi₃TiNbO₉(Integrated Ferroelectrics，2006，79：15)等Bi₄Ti₃O₁₂基自然超晶格铁电薄膜；国内南京大学等少数机构初步开展了人工铁电超晶格的研究，如PLD法LiNbO₃/Al₂O₃的铁电/介电声学超晶格的制备及其声学效应(杨彬.铁电薄膜多层膜超晶格的晶体和极化取向控制及其物理效应的研究.博士学位论文.南京大学，2001.)、BaTiO₃/SrTiO₃制备及其光电特性(崔树范，于文学，徐明，等.BaTiO₃/SrTiO₃超晶格界面结构与光电性能关系研究，人工晶体学报，2000，29(5)：261)等。但这些方法设备昂贵，工艺复杂，成本很高。到目前为止，尚未见采用溶胶-凝胶工艺制备Bi层状钙钛矿自然超晶格铁电薄膜的报道。

发明内容

本发明的目的在于为克服现有技术的不足，而提供一种Si衬底Bi₃TiNbO₉-Bi₄Ti₃O₁₂自然超晶格铁电薄膜的制备方法，该方法简单且能满足硅平面工艺的要求，其制备的Bi₃TiNbO₉-Bi₄Ti₃O₁₂铁电薄膜具有超晶格结构和突出的铁电性能、优异的抗疲劳特性及良好的综合性能。