[发明专利]一种铜掺杂钛酸钡/镍锌铁氧体复相薄膜材料及制备方法有效

专利信息
申请号: 201810866019.2 申请日: 2018-08-01
公开(公告)号: CN109234678B 公开(公告)日: 2020-08-25
发明(设计)人: 杜丕一;月扬宇;顾健;王宗荣;马宁 申请(专利权)人: 浙江大学
主分类号: C23C14/08 分类号: C23C14/08;C23C14/35;C23C14/58
代理公司: 杭州求是专利事务所有限公司 33200 代理人: 万尾甜;韩介梅
地址: 310058 浙江*** 国省代码: 浙江;33
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摘要:
搜索关键词: 一种 掺杂 钛酸钡 铁氧体 薄膜 材料 制备 方法
【说明书】:

发明公开了一种铜掺杂钛酸钡/镍锌铁氧体复相薄膜材料及制备方法。该薄膜铜掺杂镍锌铁氧体相和钛酸钡相呈均匀致密分布,其中镍锌铁氧体相沿(111)晶面取向生长。该薄膜通过射频磁控溅射法并通过在溅射源靶材外侧外加带窗口的铜罩同步引入铜掺杂离子,以先获得非晶沉积薄膜,后经过在空气气氛下热处理的方法制得。相比于不掺杂的钛酸钡/镍锌铁氧体复相薄膜,这种制备方法可以获得在复相体系中铁磁相具有(111)取向生长特征的铁电、铁磁两相复合薄膜。这种铁磁相(111)取向生长的铁电、铁磁两相复合薄膜有利于实现高性能磁、电耦合,相对制备工艺较为简单,成本低廉。

技术领域

本发明属于多铁复相薄膜材料技术领域,具体涉及一种铜掺杂钛酸钡/镍锌铁氧体复相薄膜材料及其制备方法,该材料是以磁控溅射法制备获得的镍锌铁氧体相为(111)取向生长的铜掺杂钛酸钡/镍锌铁氧体复相薄膜。

背景技术

小型、轻量、薄型、高性能是数字网络时代电子设备的发展趋势,而这些高技术电子设备的迅猛发展也对新材料提出更高的要求。随着以大规模集成电路为代表的电子信息产业的飞速发展,薄膜材料愈发显示出其重要的、关键性作用。

钙钛矿结构的钛酸钡(BaTiO3,简称BTO)作为现代工业中最重要的一类铁电材料,具有多种重要的特性:介电性、压电性、热释电性等,能够实现电能与电能、机械能与电能、热能及电能之间的相互转换。尖晶石结构的镍锌铁氧体(Ni0.5Zn0.5Fe2O4,简称NZFO)是一种传统的亚铁磁性材料,具有较大的磁致伸缩系数、较高的电阻率和高频下低的涡流损耗等特点,目前已被广泛应用于磁传感器、磁存储、高频器件和变压器等器件。

将如钛酸钡、镍锌铁氧体BTO和NZFO复合在一起,若能通过利用这两种材料分别具有的电致和磁致伸缩性能,则有望通过这种磁、电复合材料而实现电磁之间耦合,产生磁电耦合效应,这种磁电耦合效应能够为新型电磁器件的设计提供新的方向,例如,可以通过对复合磁/电薄膜施加外磁场来实现对材料电极化的控制,或通过对复合磁/电薄膜施加外电场来实现对材料磁极化的控制。因此,这种复合磁/电薄膜有望在多态存储器、电磁传感器等方面实现大规模的应用。

实际上,在复合磁/电薄膜中要实现高效的磁电耦合,如施加外电场来实现对材料磁极化的控制,其关键是要解决铁磁相在不同方向上能受到来自铁电相不同大小力场的作用,从而使铁磁相非均匀受力,从而通过晶格畸变实现磁偶极矩的有效改变以使铁磁相的磁性能发生明显变化。因而,对这类复相薄膜已有的研究通常通过制备成1-3结构或2-2结构,以保证铁磁相受到来自铁电相力场作用并产生各向异性的作用效果,以实现有效的磁电耦合。然而,这类已有的1-3或2-2结构复相薄膜制备工艺和结构非常复杂,不利于复相薄膜的实用化。

根据已有的技术,目前复相薄膜最成熟的制备工艺并且能够与现有半导体工艺进行很好对接的工艺之一是磁控溅射制备方法。利用这种方法通过最简便和直接的过程可以制备获得铁电相、铁磁相复相薄膜。由于这种薄膜绝大多数为两相均匀分布结构,也即0-0结构复相薄膜。因而若能够解决这种均匀分布两相之间的电、磁耦合问题,显然对这类薄膜的应用具有重要的理论意义和实际价值。为此,杜丕一等曾设计了一种利用磁控溅射法,并在半导体工艺中最常用的(111)取向单晶硅基板上制备了NZFO为(100)取向的BTO/NZFO复相薄膜(ZL201510500941.6)。这种薄膜有望通过铁磁相的(100)取向生长,从而最终实现铁磁相仅仅在垂直于(100)晶面方向受到作用力场,也即受到各向异性力场的作用,获得有效的磁电耦合效果。这种薄膜中铁磁相的(100)取向实际上是通过Si(111)晶面与NZFO(800)晶面上晶格结构之间很好的相似性,从而通过单晶硅基板对NZFO晶相的晶格诱导生长来实现的。

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