[发明专利]一种具有周期性纳米级微裂纹结构的铌酸铋钙薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种具有周期性纳米级微裂纹结构的铌酸铋钙薄膜材料及其制备方法。所述具有周期性纳米级微裂纹结构的铌酸铋钙薄膜材料的制备方法为：采用脉冲激光沉积法，包括：选择可使薄膜产生张应力并有良好晶格匹配关系的单晶衬底，在0.1mbar～0.2mbar沉积氧压下利用脉冲激光轰击烧蚀Bi过量的CBN靶材进行沉积，并在一定氧压下直接降温冷却，获得具有周期性纳米级微裂纹结构的铌酸铋钙薄膜材料；其中，单晶衬底为铌掺杂钛酸锶或钛酸锶单晶衬底；激光脉冲次数5000～15000次。

技术领域

本发明涉及一种具有周期性纳米级微裂纹结构的铌酸铋钙(CBN)薄膜材料及其制备方法，属于薄膜材料的制备领域。

背景技术

铁电压电材料是一类重要的信息功能材料，广泛应用于航天航空、汽车、医疗、石油勘探等领域。然而随着器件的小型化、集成化、多功能化，块体陶瓷材料难以满足器件发展的需求，这极大的推动了铁电压电薄膜材料的发展和需求。铌酸铋钙具有高的居里温度(943℃)和较低的老化率，在高温高频领域具有很大的应用潜力。并且薄膜微结构的可控制备对于材料性能调控以及实际生产和应用至关重要。

现有的研究中，Cho.Desu.利用脉冲激光沉积技术制备了c轴择优取向的CBN薄膜，(Phys.Stat.Sol.(a)161,1997:371)，但其主要是利用Si衬底的良好匹配性制备c轴择优取向的CBN薄膜；之后，A.Z.等人仅仅利用聚合物前驱体法成功制备了CBN薄膜(Mater.Chem.Phys.41,2006:1461-1467)，并研究了其在硅基衬底、玻璃基衬底上的性能；欧阳俊等人则致力于利用磁控溅射法通过选择匹配度较好的氧化物半导体单晶衬底、缓冲层以及氧化物导电底电极等进行CBN薄膜取向调控(CN105296946A，Ceram.Int.45,2019:20818-20823等)，从而获得良好的面外性能。目前对CBN薄膜的研究仅局限于制备结晶质量良好的CBN薄膜以及通过取向调控获得良好的面外性能。有报道发现在非铁电薄膜SrMnO3材料中可通过纳米裂纹结构使得正负电荷中心发生偏移产生电偶极子，获得大的挠曲电效应。因而在铁电薄膜中通过微结构调控构筑微裂纹有望提高薄膜自发极化，获得优异的铁电压电性能。但对CBN薄膜微结构的可控制备和性能调控以及纳米级微裂纹结构产生的微观临界效应及性能变化等方面研究尚未开展，因此如何实现薄膜材料微结构的可控制备是目前功能薄膜研究领域的难点。

发明内容

为提供更多的CBN薄膜性能调控手段，丰富CBN薄膜的微观结构，同时为薄膜材料的微观临界效应，本发明提供了一种具有周期性纳米级微裂纹结构的铌酸铋钙薄膜材料及其制备方法。

一方面，本发明提供了一种具有周期性纳米级微裂纹结构的铌酸铋钙薄膜材料的制备方法，其特征在于，采用脉冲激光沉积法，包括：选择可使薄膜产生张应力并有良好晶格匹配关系的单晶衬底，在0.1mbar～0.2mbar沉积氧压下利用脉冲激光轰击烧蚀Bi过量的CBN靶材进行沉积，并在一定氧压下直接降温冷却获得具有周期性纳米级微裂纹结构的铌酸铋钙薄膜材料；其中，单晶衬底为铌掺杂钛酸锶或钛酸锶单晶衬底，激光脉冲次数5000～15000次。

在本发明中，实现薄膜微裂纹结构产生的主要影响因素(关键点)是单晶衬底的选择、沉积氧压和脉冲次数(该因素决定薄膜厚度)的协同作用。具体地，通过选择合适的衬底才能使得薄膜产生张应力及实现良好的外延生长，并且通过选择合理的沉积氧压控制薄膜氧空位缺陷产生应力集中，薄膜达到一定厚度应力使得应力释放，才能够产生周期性的微裂纹结构。