[发明专利]具有超晶格结构和超高储能效率的多组分弛豫铁电薄膜材料及其制备方法

权利要求书

1.一种具有超晶格结构和超高储能效率的多组分弛豫铁电薄膜材料，其特征在于，包括：基底层、形成于所述基底层上的底电极层以及形成于所述底电极层上的实际功能层；

所述基底层为刚性SrTiO₃（STO）基底，所述STO基底的晶面取向为[100]；

所述底电极层为基于所述基底层生长的SrRuO₃（SRO）层；

所述实际功能层为基于所述底电极层生长的具有弛豫铁电性的多层结构薄膜，所述多层结构薄膜重复多周期叠加形成超晶格结构；

所述多层结构薄膜包括依次叠加生长于所述底电极层上的下层、中层及上层，所述下层的组成元素包括Ba和Ti，所述中层的组成元素包括Sr和Ti，所述上层的组成元素包括Bi和Fe，所述多层结构薄膜为BaTiO₃（BTO）-SrTiO₃（STO）-BiFeO₃（BFO）结构。

2.根据权利要求1所述的具有超晶格结构和超高储能效率的多组分弛豫铁电薄膜材料，其特征在于：所述实际功能层中的上层的总厚度及中层的总厚度均小于所述底电极层的厚度，所述多层结构薄膜的下层为所述实际功能层的主要层，所述下层的总厚度占所述实际功能层总厚度的80%~85%。

3.根据权利要求2所述的具有超晶格结构和超高储能效率的多组分弛豫铁电薄膜材料，其特征在于：所述底电极层的厚度为10~30nm，所述实际功能层中的上层的总厚度及中层的总厚度均为5~25nm，所述实际功能层中的下层总厚度为180~220nm，所述实际功能层的厚度为220~260nm。

4.根据权利要求3所述的具有超晶格结构和超高储能效率的多组分弛豫铁电薄膜材料，其特征在于：所述底电极层的厚度为20~25nm，所述实际功能层中的上层及中层的总厚度为40~50nm，所述实际功能层中的下层总厚度为200~220nm，所述实际功能层的厚度为250~260nm。

5.权利要求1-4中任一项所述的具有超晶格结构和超高储能效率的多组分弛豫铁电薄膜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）选取晶面取向为[100]的刚性STO层作为基底层；

（2）在STO基底上生成SRO层作为底电极层；

（3）在SRO层上生成BTO-STO-BFO多层结构作为实际功能层，得到多组分弛豫铁电薄膜材料。

6.根据权利要求5所述的具有超晶格结构和超高储能效率的多组分弛豫铁电薄膜材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中生成基底层和步骤（3）中生成实际功能层均采用脉冲激光沉积方法。

7.根据权利要求6所述的具有超晶格结构和超高储能效率的多组分弛豫铁电薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）包括以下步骤：

A.将BTO靶材、STO靶材和BFO靶材分别放置在三个相邻的靶位上；

B.对步骤（1）中STO基底进行粘结处理并放置于脉冲激光沉积系统的生长腔中主靶位的正上方，STO基底与靶材之间的距离控制在55~75cm；

C.将BTO靶位切换至主靶位，开启激光器轰击BTO靶材200~300发；

D.迅速将STO靶位切换至主靶位，开启激光器轰击STO靶材33~55发；

E.迅速将BFO靶位切换至主靶位，开启激光器轰击BFO靶材17~25发；

F.重复循环步骤C~E的过程40~60次，制得重复周期为N为40~60的BTO-STO-BFO多组分弛豫铁电薄膜材料。

8.根据权利要求6所述的具有超晶格结构和超高储能效率的多组分弛豫铁电薄膜材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中底电极层的沉积真空度≤1×10^-7Pa，沉积温度为680~720℃，氧分压为75~75mTorr，激光能量为340~360mJ，脉冲激光频率为8~10Hz，沉积温度速率为25~35℃/min，激光焦距为-5~5mm，沉积速率2~5nm/min。