[发明专利]一种单晶锆钛酸铅薄膜及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种单晶锆钛酸铅薄膜及其制备和应用。该薄膜是在掺铌钛酸锶基底上外延生长的大面积高质量的锆钛酸铅单晶薄膜，具有面积接近cm²级别的宏观尺寸，厚度可达微米级，且在铁电极化方向上锆离子和钛离子比例呈梯度变化。该单晶锆钛酸铅薄膜是通过将共沉淀反应和水热反应结合，在远低于居里温度的环境中制备得到的，工艺过程简单、可控，成本低，易于规模化生产，在铁电存储器、热释电传感器和电光探测器等领域具有广泛的潜在应用前景。

技术领域

本发明属于功能材料及制备领域，具体涉及单晶锆钛酸铅薄膜及其制备。

背景技术

在大数据主导的信息时代，微纳电子器件追求高密度、低损耗的信息储存，快响应、低干扰的信息探测等性能，钙钛矿铁电氧化物材料因其在居里温度下具有受外场调控的自发极化方向和物理化学性质，在信息储存和信号探测等领域具有广阔的应用前景，成为功能薄膜材料开发研究的热点。

锆钛酸铅(PbZr_xTi_1-xO₃，PZT)是一种由四方相铁电体钛酸铅(PbTiO₃)和菱方相反铁电体锆酸铅(PbZrO₃)以任意比互溶的钙钛矿铁电氧化物固溶体，具有优异的铁电、压电、热释电和机电耦合性能，同时，还可以通过组分调整实现性能的优化：纯PbTiO₃是四方相铁电体，其压电系数d₃₃一般不到100pC/N。随着Zr含量增加，压电性能不断增加，当到达PbTiO₃四方铁电相和PbZrO₃菱方反铁电相的准同型相界时，其压电系数可以提高3倍以上。

相比于多晶陶瓷，单晶锆钛酸铅不受晶粒大小、取向、晶界和气孔的影响，具有更加优异的介电、铁电与光学性能等，从而拥有更加独特的物理研究和更加理想的性能优化的价值。然而，由于钛酸铅和锆酸铅的不协调熔融以及氧化铅的高挥发性，使锆钛酸铅晶体的热动力学平衡难以建立，即使是成功用于熔体生长非同成分的PMN-PT单晶的Bridgman法，也无法成功地生长显著尺寸的锆钛酸铅单晶，从而无法得到可观尺寸的单晶锆钛酸铅以应用于探测器、传感器等器件的敏感元件材料。PZT单晶块体的制备难题至今没有得到解决。

目前，只有采用具有较高实验要求、高成本的脉冲激光沉积法(PLD)等气相沉积法，方可制备锆钛酸铅单晶薄膜，但是，受限于气相法较弱的空间扩散能力和较高的成本，PLD法无法实现在较高的生长速率下形成较厚的薄膜，薄膜厚度很难做到微米级；而且，PLD法等气相沉积法的反应温度(600℃)远高于锆钛酸铅的居里温度(300～450℃)，制备时降温到室温的过程中难以避免的要经历顺电相到铁电相的相变过程，以及Pb的高挥发性，这些都可能向薄膜中引入缺陷，影响微结构和性能，使得薄膜的结构和性能难以控制，从而无法获得结构可控或特定结构的薄膜。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种单晶锆钛酸铅(PbZr_xTi_1-xO₃)薄膜及其制备方法。该单晶锆钛酸铅薄膜在铁电极化方向上具有梯度锆/钛比，且为单一取向的四方相铁电单晶薄膜，具有光滑平整的连续表面和高质量的异质结界面，尤其是，具有面积接近cm²级别的宏观尺寸，厚度可达微米级。该制备方法的反应温度远低于锆钛酸铅的居里温度，成本低，工艺简单，过程易于控制，锆酸铅的固溶度x在0x≤0.2范围内可控。

为达到上述目的，本发明提供一种单晶锆钛酸铅薄膜，在铁电极化方向上具有梯度锆/钛比，所述锆/钛比为锆钛摩尔比。