[发明专利]一种高介电性能钛酸铜钙外延薄膜的制备方法

说明书

本发明提供了一种高介电性能钛酸铜钙外延薄膜的制备方法，首先利用溶胶凝胶法制备钙、铜、钛的溶液，再合成钛酸铜钙溶胶；其次，清洗SrTiO₃(001)基片，利用浸渍提拉法在基片上制备钛酸铜钙凝胶薄膜；最后在不同的气氛和温度下热处理得到单一取向的CCTO薄膜。本发明利用设备简单、低成本的溶胶凝胶法在SrTiO₃(001)基片上制备了单一取向的钛酸铜钙薄膜，以提高薄膜的介电常数并降低介电损耗，从而实现钛酸铜钙薄膜的高介电性能。本发明显著降低对制膜设备的要求，重复性高，适合在不同造型的基底上制备高质量的钛酸铜钙薄膜。本发明的薄膜材料的介电常数达到10⁴，介电损耗低至0.01。

技术领域

本发明涉及功能材料研究与技术开发领域，具体涉及一种高介电性能钛酸铜钙外延薄膜的制备方法。

背景技术

高质量介电薄膜决定了无源元件的体积效率水平以及电荷存储能力，一直是微电子工业及其相关研究领域的重要课题之一。由于量子力学的隧穿效应，电容的垂直尺度限制在2 nm左右，因此必须通过交替增加介电常数来提高电容。近年来，钛酸铜钙(CaCu₃Ti₄O₁₂，简称CCTO)因其在100-600K和1kHz-1MHz的温度和频率范围内的巨大介电常数且无结构相变而被认为是纳米级电容器件的首选材料。CCTO的介电响应与它的显微结构和结晶度密切相关。CCTO陶瓷的介电常数在10⁴量级，而薄膜形式的介电常数通常在10³范围内。从应用的角度，期望CCTO薄膜具有高的介电常数和低的介电损耗，而CCTO材料中的介电损耗较大；提高介电常数的同时往往伴随损耗的增加；因此期望将CCTO材料的介电损耗控制在0.05以下以达到应用的目的，而高质量的CCTO薄膜是获得高介电性能的保障。

目前，CCTO薄膜的制备方法主要有脉冲激光沉积法、磁控溅射法、分子束外延法、溶胶凝胶法等；这些方法大多需要昂贵的设备且工艺过程复杂，不利于工业化生产；因此，有必要寻找一种低成本制备高质量CCTO薄膜的方法。而溶胶凝胶法制备薄膜具有均匀性好，成分控制精确，镀膜面积大，设备和操作简单，成本低，无需使用高真空等优点。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种高介电性能钛酸铜钙外延薄膜的制备方法，无需昂贵的制膜设备，利用溶胶凝胶法制备得到单一取向的高介电性能CCTO薄膜，为高质量电子元器件的制备及应用打下良好的基础。

实现本发明的技术方案是：

一种高介电性能钛酸铜钙外延薄膜的制备方法，首先利用溶胶凝胶法制备钙、铜、钛的溶液，再合成CCTO溶胶；其次，清洗SrTiO₃(001)基片，利用浸渍提拉法在基片上制备凝胶薄膜；最后在不同的气氛和温度下热处理得到单一取向的CCTO薄膜。

所述的制备方法，具体步骤如下：

（1）CCTO溶胶的制备

以醋酸钙（Ca(CH₃COO)₂）为先驱体，丙酸为络合剂，甲醇为溶剂配制醋酸钙溶胶，在湿度小于30％的手套箱内将 醋酸钙加入到甲醇中，滴入丙酸，40-80℃加热条件下搅拌2小时溶解得到澄清透明溶液A，溶液中醋酸钙：丙酸：甲醇的摩尔比为1：（2~4）：（10~40）。

以醋酸铜（Cu(CH₃COO)₂）为先驱体，丙酸为络合剂，甲醇为溶剂配制醋酸铜溶胶，在湿度小于30％的手套箱内将醋酸铜加入到甲醇中，滴入丙酸，40-90℃加热条件下搅拌2小时得到蓝绿色透亮溶液B，溶液中醋酸铜：丙酸：甲醇的摩尔比为1：（3~10）：（10~40）。