[发明专利]一种氧化镍-钛酸钡纳米复合铁电薄膜材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种氧化镍‑钛酸钡纳米复合铁电薄膜材料及其制备方法与应用，所述薄膜具有（001）面晶体取向，包括体积百分比为10~30%的氧化镍与体积百分比为70~90%的钛酸钡；所述制备方法包括采用固相沉积法制备钛酸钡、氧化镍和氧化镍‑钛酸钡复合靶材；再采用脉冲激光沉积法，通过控制沉积参数制备得到纳米层状、纳米柱状和纳米颗粒氧化镍‑钛酸钡复合铁电薄膜。本发明工艺简单，所得到的纳米复合薄膜具有微观组织结构连续可调、纳米尺度的晶粒分布均匀、薄膜厚度精确可控和晶体取向外延等优点，有效提高了复合薄膜材料的铁电性能，增强了介电性能，所得高性能材料可用于铁电存储器件、超级电容器、晶体场效应管、声表面波器件等领域，应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及一种铁电薄膜材料，具体地说是涉及一种氧化镍-钛酸钡纳米复合铁电薄膜材料及其制备方法与应用。

背景技术

铁电薄膜材料是一类具有自发极化，并且自发极化的矢量能够随外电场进行转向的功能薄膜材料。随着薄膜制备技术的发展和器件小型化需求的提高，以钛酸钡（BaTiO₃，BTO）、锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O₃，PZT）、铁酸铋（BiFeO₃，BFO）等为代表的铁电薄膜材料具有光电效应、压电效应等优异性能，在铁电存储器件、晶体场效应管、声表面波器件等铁电集成电子元器件领域中有广泛的应用前景。

铁电薄膜属于一种宽禁带的半导体，其与电荷关联的特征尺度相对较大，因此，随着铁电薄膜厚度的减小，薄膜的铁电和介电性能会逐渐减弱，存在高的漏电流、高的介电损耗和疲劳等问题。研究人员发现铁电纳米复合薄膜能够增强铁电薄膜的电学性能，从而使纳米复合铁电薄膜的研究成为铁电材料领域的研究热点之一。与纯的铁电薄膜相比，虽然铁电纳米复合薄膜能够改善其电学性能，但仍存在一些问题，例如：铁电纳米复合薄膜的铁电极化强度较小、漏电流和损耗较高等，这些问题限制了其在高性能铁电器件和微电子器件的应用。因此，选择合适的母相和掺杂相材料，通过控制铁电纳米复合薄膜的微观结构组织来获得高性能的铁复合薄膜具有非常重要的意义。

在众多的铁电薄膜中，作为已工业化应用的铁电材料——钛酸钡具有较大的铁电剩余极化、较高介电常数，高居里温度和低的矫顽力等优点，是当前铁电性能最好、无铅的重要铁电材料之一。当前，研究人员通常利用贵金属、稀土氧化物和过渡氧化物作为掺杂相，以钛酸钡为母相制备铁电纳米复合薄膜，从而调控其电学性能。采用这种方法，虽然铁电纳米复合薄膜材料的介电性能有所提高，但出现了铁电极化强度较小、漏电流大等问题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种氧化镍-钛酸钡纳米复合铁电薄膜材料，以解决现有铁电复合材料铁电剩余极化强度和介电性能比较小的问题。

本发明的目的之二是提供一种氧化镍-钛酸钡纳米复合铁电薄膜材料的制备方法，以采用经济有效的方法制备得到铁电和介电性能较好的氧化镍-钛酸钡纳米复合铁电薄膜材料。

本发明的目的之三是将氧化镍-钛酸钡纳米复合铁电薄膜材料应用于铁电存储器、超级电容器、晶体场效应管及声表面波器件等领域。

本发明的目的之一是这样实现的：

一种氧化镍-钛酸钡纳米复合铁电薄膜材料，其具有（001）面晶体取向；包括体积百分比为10~30%的氧化镍与体积百分比为70~90%的钛酸钡。

所述氧化镍-钛酸钡纳米复合铁电薄膜材料为纳米层状复合薄膜，优选地，其厚度为150~180nm。

所述氧化镍-钛酸钡纳米复合铁电薄膜材料为纳米柱状复合薄膜，其是由氧化镍、钛酸钡材料在基板上沿各自的基础向上堆积而成；优选地，其厚度为120~160nm；优选地，氧化镍的体积百分比为10~20%。

所述氧化镍-钛酸钡纳米复合铁电薄膜材料为纳米颗粒复合薄膜，其是由氧化镍、钛酸钡以纳米颗粒结构混杂排布成膜；优选地，其厚度为100~120nm；优选地，氧化镍的体积百分比为10~20%。