[发明专利]一种基于钛酸铋钠基和铁酸铋基的复合固溶体薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二元铁电薄膜及其制备方法，具体涉及一种二元的钛酸铋钠基和铁酸铋基复合无铅薄膜及其制备方法，属于钙钛矿结构环境协调型铁电薄膜技术领域。

背景技术

随着微电子技术的发展和高度集成化的趋势，需要研制出具有与块体相比拟性能的薄膜材料。铁电薄膜由于具有铁电、压电效应等多种特性而广泛地应用于存储器、压电传感器和执行器等众多领域。目前广泛使用的性能比较优越的多为铅基材料，如Pb(Zr,Ti)O₃，Pb(Mg,Nb)O₃等，其中PbO的含量高达60~70%。而铅为不可降解性化学品，这势必会在生产、使用及废弃后的处理过程中给人类和生态环境造成严重的危害。所以，有必要探索高品质的无铅压电铁电薄膜材料。

新兴的钛酸铋钠(Na_0.5Bi_0.5TiO₃)材料被认为是很有希望取代铅基压电铁电材料的环境协调型材料。Na_0.5Bi_0.5TiO₃块体具有较大的剩余极化(室温下，陶瓷：P_r=32μC/cm²；晶体：P_r=36μC/cm²)和较高的居里温度(T_C=320℃)；但对于Na_0.5Bi_0.5TiO₃薄膜来说，结晶温度范围较窄；并且高达700℃左右，高温退火过程中铋和钠元素的挥发导致了化学计量比的偏离。这些给制备纯相的Na_0.5Bi_0.5TiO₃薄膜材料带来了很大的困难。众多试验结果显示Na_0.5Bi_0.5TiO₃钙钛矿很容易跟焦绿石杂相共存。另外，元素的挥发导致的非化学计量比等因素造成了薄膜内部缺陷的产生，尤其是陷于晶界处的氧空位电离产生的传导电子进入导带增大了Na_0.5Bi_0.5TiO₃薄膜的漏电性。致使铁电畴在极化过程中无法充分翻转，现有的Na_0.5Bi_0.5TiO₃薄膜的铁电性(P_r在10μC/cm²左右)远远低于Na_0.5Bi_0.5TiO₃基块体的。

BiFeO₃是少数室温下同时具有铁电性和铁磁性的材料之一，由于其具有高于室温的铁电居里温度（T_C=830℃）和反铁磁尼尔温度（T_N=370℃）而备受研究人员的关注。本世纪初众多研究者报道了BiFeO₃基薄膜具有非常优异的铁电、压电、以及铁磁性能。虽然利用化学溶液法制备的BiFeO₃薄膜漏电流较高，矫顽场较大。但是研究发现：离子掺杂，包括Bi位上掺杂镧系元素和Fe位上掺杂过渡族元素，被报道能有效的改善BiFeO₃的漏电问题，并能在一定程度上降低BiFeO₃薄膜的矫顽场。而且BiFeO₃基薄膜的结晶温度比较低，退火温度为500℃左右。

发明内容

本发明针对现有钛酸铋钠薄膜结晶相中易出杂相、漏电流大、铁电性能差等不足，提供了一种基于钛酸铋钠基和铁酸铋基的复合固溶体薄膜，该二元薄膜具有剩余极化高、漏电低、介电性稳定等优点。

本发明还提供本复合固溶体薄膜的制备方法，该方法操作简单，所得薄膜性能良好。

本发明将钛酸铋钠基薄膜与铁酸铋基薄膜进行结合，避免了 Na_0.5Bi_0.5TiO₃薄膜制备过程中易于产生杂相和退火温度高的难题，并有效的降低了Na_0.5Bi_0.5TiO₃薄膜漏电流，增强了其抗压性，得到了具有低漏电、高剩余极化、介电性稳定的铁电固溶体薄膜，在未来的新型高密度集成压电铁电器件中具有良好的应用前景。其具体技术方案如下：