一种高居里点硅衬底铁电薄膜材料及其制备与应用

摘要

本发明涉及一种高居里点硅衬底铁电薄膜材料及其制备与应用，所述铁电薄膜材料包括Pt/Ti/SiO2/Si衬底以及自内向外依次沉积在衬底表面的导电缓冲层和薄膜层，所述导电缓冲层为镧锶钴氧，薄膜层为锰掺杂铌铟酸铅‑铌镁酸铅‑钛酸铅(简写为Mn‑PIN‑PMN‑PT)，化学组成为zMn‑(1‑x‑y)Pb(In1/2Nb1/2)O3‑yPb(Mg1/3Nb2/3)O3‑xPbTiO3，其中，x＝0.20～0.40，y＝0.20～0.50，z＝0.003～0.01。与现有技术相比，本发明制备的薄膜具有优良的铁电、压电、热释电性能，适用于新型的压电、热释电集成器件。

说明书

技术领域

本发明属于铁电薄膜材料领域，具体涉及一种高居里点硅衬底铁电薄膜材料及其制备与应用。

背景技术

以Pb(Mg

研究发现，在红外探测器阵列等应用中，二元PMNT存在居里温度较低(铁电三方至四方相变温度仅为70-80℃)、损耗较大的问题。为解决这一问题，国际上先后有相关研究报道，发现了以PIN-PMN-PT和Mn掺杂PIN-PMN-PT为代表的第二、第三代弛豫铁电单晶，它们兼有高热释电系数及宽的温度使用范围的优点，在保持其优越铁电、热释电性能的同时，介电损耗显著降低，居里温度较PMNT 提高了约100℃，而且其压电性能也与二元PMNT相近。

专利CN111423231A公开了一种三元系弛豫铁电薄膜材料及其制备和应用，材料的化学组成为zMn-(1-x-y)Pb(In

发明内容

本发明的第一个目的就是提供一种高居里点硅衬底铁电薄膜材料。

本发明的第二个目的就是提供一种高居里点硅衬底铁电薄膜材料的制备方法。

本发明的第三个目的就是提供一种高居里点硅衬底铁电薄膜材料的应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高居里点硅衬底铁电薄膜材料，所述铁电薄膜材料包括Pt/Ti/SiO

优选地，x＝0.28，y＝0.36，z＝0.005。

所述导电缓冲层由LSCO陶瓷靶沉积得到。

一种如上述所述的硅衬底铁电薄膜材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(a)将MnO

(b)将Pt/Ti/SiO

(c)以激光溅射的方式，使用LSCO陶瓷靶在步骤(b)得到的Pt/Ti/SiO

(d)以激光溅射的方式，将步骤(a)得到的锰掺杂铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷靶材在步骤(c)得到的导电缓冲层上进行第二次脉冲激光沉积处理，后进行第二次退火处理，得到高居里点硅衬底铁电薄膜材料。

步骤(a)中，当制得的铁电薄膜材料中x＝0.28，y＝0.36，z＝0.005时，MnO

步骤(a)中，MnO

步骤(a)中，球磨的时间为6h，球磨的转速为300r/min。

步骤(a)中，烘干的温度为50℃，烘干的时间为24h，在氮气气氛下烘干。

步骤(a)中，过筛采用目数为40目的筛网。

步骤(a)中，预烧的温度为1100℃，预烧的时间为2h。

步骤(a)中，造粒具体过程为：将预烧后的中间体球磨成粉料，等粉料干燥后，加入浓度为5wt％的聚乙烯醇作为黏结剂，制作成流动性好的颗粒。

步骤(a)中，压片的压力为3MPa。

步骤(a)中，烧结的温度为1245℃，烧结的时间为2h。

步骤(b)中，超声的功率为1500W，每次超声的时间为20min，干燥的温度为 30℃，干燥的时间为20min。

步骤(c)中，第一次脉冲激光沉积的参数为：反应腔体的真空度为5×10

步骤(c)中，第一次退火处理的温度与第一次脉冲激光沉积的温度一致，氧分压为5×10

步骤(d)中，第二次脉冲激光沉积的参数为：反应腔体的真空度为5×10

步骤(d)中，第二次脉冲激光沉积时Pt/Ti/SiO

步骤(d)中，第二次退火处理的温度与第二次脉冲激光沉积的温度一致，氧分压为5×10

一种如上述所述的硅衬底铁电薄膜材料在压电与热释电集成器件中的应用。

本发明围绕Mn-PIN-PMN-PT薄膜的制备展开。为使得与压电及热释电MEMS 工艺兼容，本发明提出在Pt/Ti/SiO

本发明的具体过程是：首先采用传统固相反应法制备Mn-PIN-PMN-PT陶瓷靶材；然后准备Pt/Ti/SiO

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

1、首次在与MEMS工艺相兼容的Pt/Ti/SiO

2、LSCO导电缓冲层与Mn-PIN-PMN-PT铁电薄膜具有良好的晶格匹配，可获得具有纯钙钛矿结构且择优取向生长的高质量薄膜。

3、所制备的薄膜具有优异的铁电、压电及热释电性能，较高的居里温度，在保持二元PMNT优越性能的同时，能够显著提升相变温度。

4、制备周期短，沉积速率高，重复性好。

附图说明

图1为在具有LSCO导电缓冲层的Pt/Ti/SiO

图2为在沉积温度分别为(a)480℃、(b)500℃、(c)530℃、(d)550℃的温度下生长的Mn-PIN-PMN-PT弛豫铁电薄膜材料的表面SEM；

图3为在沉积温度分别为(a)480℃、(b)500℃、(c)530℃、(d)550℃的温度下生长的Mn-PIN-PMN-PT弛豫铁电薄膜材料的横截面SEM；

图4为在沉积温度分别为(a)480℃、(b)500℃、(c)530℃、(d)550℃的温度下生长的Mn-PIN-PMN-PT弛豫铁电薄膜的电滞回线；

图5为在沉积温度分别为(a)480℃、(b)500℃、(c)530℃、(d)550℃的温度下生长的Mn-PIN-PMN-PT弛豫铁电薄膜的介电常数和介电损耗随频率的变化；

图6为沉积温度为530℃的温度下生长的Mn-PIN-PMN-PT弛豫铁电薄膜的介电常数在1kHz下随温度的变化。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种高居里点硅衬底Mn-PIN-PMN-PT铁电薄膜材料，包括Pt/Ti/SiO

(1)制备Mn-PIN-PMN-PT陶瓷靶材：将纯度大于97.5％的MnO

(2)Pt/Ti/SiO

A将Pt/Ti/SiO

B将Pt/Ti/SiO

C将Pt/Ti/SiO

D使用纯度＞99.999％高纯氮气在30℃下将Pt/Ti/SiO

E使用银浆及铁片固定清洗后的衬底，并迅速放入到真空腔内。

(3)制备LSCO导电缓冲层(也作为底电极材料)：

A将清洗吹干的Pt/Ti/SiO

B调节靶材和衬底之间的距离为55mm，开启机械泵开始对沉积腔体进行抽真空，待腔体内压强小于1Pa时，开启分子泵对腔体抽真空至5×10

C开启温控装置，按照5℃/min的恒定速率将单晶衬底温度升至500℃；

D待温度稳定后，开启气体流量计，设置氧气压强为20Pa，启动阀控功能，打开氧气通道，通过调节抽气量(闸板阀)来控制氧气压强；

E开启准分子激光器，设置激光器参数和溅射时间(设置激光能量为300mJ，频率为5Hz，溅射时间为30min)，先进行5min预溅射，然后在Pt/Ti/SiO

F溅射结束后，依次关闭分子泵和机械泵，向腔体内通入半个大气压的高纯氧气，保持500℃的沉积温度，进行原位退火半小时；

G缓慢降温，待温度降至室温后取出，得到LSCO缓冲层；

(4)制备Mn-PIN-PMN-PT弛豫铁电薄膜：

A将制备LSCO缓冲层的Pt/Ti/SiO

B调节靶材和衬底之间的距离为55mm，开启机械泵开始对沉积腔体进行抽真空，待腔体内压强小于1Pa时，开启分子泵对腔体抽真空至5×10

C开启温控装置，按照5℃/min的恒定速率对基底升温，使衬底保持不同的沉积温度(480℃、500℃、530℃、550℃)；

D开启气体流量计，设置氧气压强为20Pa，启动阀控功能，打开氧气通道，通过调节抽气量(闸板阀)来控制氧气压强；

E开启准分子激光器，设置激光器参数和溅射时间(设置激光能量为300mJ，频率为5Hz，溅射时间为90min)，先进行5min预溅射，然后在沉积有LSCO的 Pt/Ti/SiO

F溅射结束后，依次关闭分子泵和机械泵，向腔体内通入半个大气压的高纯氧气，保持相应的沉积温度，进行原位退火半小时；

G缓慢降温，待温度降至室温后取出，得到Mn-PIN-PMN-PT硅衬底弛豫铁电薄膜材料。

不同沉积温度下沉积得到的Mn-PIN-PMN-PT硅衬底弛豫铁电薄膜材料的 XRD如图1所示(图1中的Pt指Pt/Ti/SiO

在不同沉积温度下沉积得到的Mn-PIN-PMN-PT薄膜材料的表面SEM图如图 2所示，由a图可看到当沉积温度为480℃时，500nm下的薄膜材料致密性较差，且具有不均匀的晶粒尺寸。随着沉积温度的升高，薄膜材料的表面变得平坦并且晶粒逐渐减小，当沉积温度为530℃时，c图显示薄膜材料的表面非常致密，粒径均匀。

在不同沉积温度下沉积得到的Mn-PIN-PMN-PT薄膜材料的横截面SEM如图 3所示(图中以Mn-PIMNT表示Mn-PIN-PMN-PT薄膜材料，Pt指Pt/Ti/SiO

在不同沉积温度下沉积得到的Mn-PIN-PMN-PT薄膜材料的电滞回线如图4所示，测试频率为1kHz。从图4可以看到，在不同温度下沉积得到的Mn-PIN-PMN-PT 薄膜材料均显示出典型的铁电电滞回线，而随着沉积温度的升高，剩余极化强度(Pr) 位于11.4μC/cm

在100Hz-100kHz的频率测试条件下，不同沉积温度下沉积得到的 Mn-PIN-PMN-PT薄膜材料的介电常数和介电损耗随频率的变化如图5所示(其中，左边画有方向向左的箭头的曲线代表介电常数，右边画有方向向右的箭头的代表介电损耗，其中500℃和530℃的两条介电损耗曲线基本重合)。在1kHz下，沉积温度为530℃和550℃这两个条件下得到的薄膜材料表现出优异的介电性能，介电常数较大，介电损耗较小，表明在该温度条件下，Mn-PIMNT可以很好地结晶。不同沉积温度下，介电谱之间的差异与薄膜的微观结构(如晶粒尺寸)和晶格畸变密切相关。1kHz下，沉积温度为530℃得到的薄膜材料的介电常数为3978，介电损耗为0.06，沉积温度为550℃得到的薄膜材料的介电常数为3532，介电损耗为0.08。在100Hz-100kHz的频率下，可以看到随着频率的增加，由于空间电荷响应被抑制，薄膜材料的介电常数逐渐降低，介电损耗逐渐升高。

在1kHz的频率测试条件下，沉积温度为530℃，氧压为20Pa下制备的 Mn-PIN-PMN-PT薄膜介电常数随温度的变化如图6所示，从图中我们可得知该薄膜的居里温度达181℃，可适用温度范围大幅提高。

利用动态法测试(测试温度为27℃)发现，沉积温度为530℃，氧压为20Pa 下制备的Mn-PIN-PMN-PT薄膜的热释电系数达到6.7×10

综上可得，所制备的Mn-PIN-PMN-PT铁电薄膜材料显示出纯钙钛矿结构，无焦绿石相，具有优异的电性能。

通过以上对不同沉积温度下薄膜材料的制备和性能的分析，可得出优化方案为：采用脉冲激光沉积技术在制备有LSCO导电缓冲层的Pt/Ti/SiO

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。