[发明专利]一种钛酸钡/镍酸镧铁电超晶格薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明的目的在于提供一种钛酸钡/镍酸镧铁电超晶格薄膜材料及其制备方法，该材料由周期性生长的铁电性氧化物材料钛酸钡和金属导电性氧化物材料镍酸镧所构成。本发明的钛酸钡/镍酸镧铁电超晶格薄膜材料的优点为：介电常数与纯钛酸钡薄膜相比增加了11～90％；并且具有良好的铁电极化性能，其剩余极化强度达到13.1μC/cm²，饱和极化强度达到34.6μC/cm²，与纯钛酸钡薄膜对比剩余极化强度提高了140％，饱和极化强度提高了58％。该材料的制备方法是利用脉冲激光沉积法在单晶基板上交替生长镍酸镧和钛酸钡，通过控制激光轰击不同靶材的时间，精确地调控超晶格的周期厚度。该铁电超晶格材料在铁电存储器、传感器、致动器等集成铁电器件上具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于电子信息材料、功能材料和智能材料领域，具体涉及一种钛酸钡/镍酸镧铁电超晶格薄膜材料及其制备方法。

背景技术

铁电薄膜具有优良的铁电、压电、光电和介电等电学性能，在数据存储器、晶体场效应管、声表面波器件等集成铁电器件上有广泛的应用前景。开发新型的铁电薄膜材料，大幅度提高铁电薄膜的铁电、介电等电学性能，对提高集成铁电器件的功能特性具有重要意义。

利用薄膜制备技术，在特定的基板上将钙钛矿氧化物铁电材料与其他钙钛矿氧化物材料交替生长，制备成铁电超晶格薄膜材料，与其构成材料对比可以大幅度地提高铁电、介电等电学性能。铁电超晶格薄膜材料无论在化学成分上还是在微观组织结构上皆与其构成材料不同，所以可以认为是一种有别于纯铁电材料的“新型”铁电材料。因此，铁电超晶格薄膜材料的制备及其应用也得到了越来越多的关注。通常，在铁电超晶格薄膜的构成材料中，除了必需的铁电材料，人们常选用绝缘的钙钛矿氧化物材料作为另一种构成材料，比如SrTiO₃、CaTiO₃等。其理由是，由铁电材料与绝缘的钙钛矿氧化物材料所构成的铁电超晶格薄膜具有非常低的漏电流，因此可以显现出良好的铁电、介电等电学性能。但是，这也限制了超晶格薄膜的选材范围以及其他功能特性的开发。LaNiO₃是一种具有钙钛矿晶体结构的金属导电性氧化物，常被用于铁电薄膜的电极材料。选用LaNiO₃等具有金属导电性的钙钛矿氧化物材料作为铁电超晶格薄膜的构成材料，由于漏电流比较大，铁电超晶格薄膜一般不能显示良好的极化性能。但是，我们研究发现如果将LaNiO₃厚度控制在几个晶胞(1～3nm)，LaNiO₃的导电性将显著降低。因此，打破常规，选用LaNiO₃作为铁电超晶格的构成材料并将其厚度控制在几个晶胞，则完全有可能制备出电学性能优越的、新型的铁电超晶格薄膜材料，这无疑对铁电超晶格薄膜材料发展与应用具有十分重要的意义。

钛酸钡是一种具有钙钛矿晶体结构的氧化物，作为一种典型的铁电材料在工业上已经得到了广泛的应用。但是，钛酸钡的铁电极化性能比较低，一般仅为5～7μC/cm²，与含铅铁电材料Pb(ZrTi)O₃对比相差甚远。近年来，为应对全球日益加剧的环境污染问题，世界各国相继颁布了关于在电子电器设备中禁止使用某些有害物质指令和电子信息产品污染防治管理办法。我国信息产业部制定的有关办法要求列入电子信息产品污染重点防治目录的电子信息产品中不得含有铅、汞、镉、六价铬等有害物质。因此，研发和应用“环境友好”的无铅铁电材料已经成为人们关注的焦点。尤其是如何提高钛酸钡以及钛酸钡基无铅铁电材料的铁电、介电等电学性能，使其可以替代Pb(ZrTi)O₃等含铅铁电材料备受人们关注。

脉冲激光沉积法是制备高质量的氧化物外延薄膜的主要方法之一。在用脉冲激光沉积法制备钛酸钡/镍酸镧铁电超晶格薄膜的过程中，本发明通过控制脉冲激光轰击各自靶材的时间，可以精确地调控钛酸钡和镍酸镧的周期厚度，使该铁电超晶格薄膜材料在室温下具有比较高的铁电、介电等电学性能。另外，钛酸钡/镍酸镧铁电超晶格薄膜材料及其制备技术，可与微机电系统加工工艺和半导体集成电路技术兼容，因此在高密度数据存储器、传感器和致动器等微电子器件方面将具有广阔的应用前景。

发明内容