[發明專利]一種錳穩定氧化鋯薄膜的制備方法

無效

• 申請號: 200910023066.1
• 申請日: 2009-06-26
• 公開（公告）號: CN101580391A
• 公開（公告）日: 2009-11-18
• 發明（設計）人: 盧亞鋒;白利鋒;馮建情;李成山;閆果
• 申請（專利權）人: 西北有色金屬研究院
• 主分類號: C04B35/622
• 分類號: C04B35/622;C04B35/48
• 代理公司: 西安創知專利事務所
• 代理人: 李子安

技術領域

本發明涉及一種錳穩定氧化鋯薄膜的制備方法，具體涉及一種在氧化物半導體裝置中的柵介質、磁性薄膜、高溫超導涂層導體等領域中具有廣泛應用潛力的錳穩定氧化鋯Zr_0.75Mn_0.25O₂薄膜的制備方法。

背景技術

氧化鋯(ZrO₂)材料在氧探測器、高溫燃料電池、催化技術和光導裝置中有著廣泛的應用潛力。氧化鋯(ZrO₂)也是一種高溫結構陶瓷材料，熔點高達2973K。在大氣環境下，氧化鋯存在三種同質異形體，即單斜晶系(m-ZrO₂)、四方晶系(t-ZrO₂)和立方晶系(c-ZrO₂)。純的ZrO₂在燒結后的冷卻過程中會發生四方相到單斜相的馬氏體相變，同時伴隨有體積變化，導致制備的材料開裂，限制了氧化鋯材料在工程上的應用。

開發氧化鋯(ZrO₂)薄膜材料對于氧化物半導體裝置中的柵介質、磁性薄膜、高溫超導涂層導體等領域具有重要意義。針對半導體中的柵極材料應用，理論計算表明，四方相的介電常數可以高達47，因此穩定高溫四方相成為氧化鋯材料研究的重要方向，而制備出四方相單一取向薄膜甚至單晶薄膜就成為半導體中新型柵極材料研究的熱點。通常情況下，純的氧化鋯(ZrO₂)薄膜不易呈現單一的四方相，少量單斜相會伴生在氧化鋯薄膜中，而且在襯底/薄膜的界面處會出現第二相氧化物。在過渡金屬氧化物中引入磁性元素可以獲得鐵磁性半導體，這種材料將極大地影響未來的信息技術。這些鐵磁性半導體材料的應用首先依賴于它們薄膜的性質，然而磁性元素摻雜的氧化鋯薄膜的研究鮮有報道。在高溫超導涂層導體中，處在金屬基帶與超導層之間的緩沖層的關鍵作用是化學阻隔和織構傳遞。結構穩定和結構匹配是選擇緩沖層的重要依據。在穩定氧化鋯(鉿)材料中，僅有釔穩定的氧化鋯(YSZ)薄膜被應用在涂層導體緩沖層中，然而利用磁控濺射沉積的YSZ不能應用在緩沖層的種子層中，因為隨著YSZ薄膜厚度的增加，YSZ薄膜容易發生開裂。因此，探索新型緩沖層材料及其制備技術也是目前高溫超導涂層導體領域的努力方向之一。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對現有技術存在的不足，提出一種錳穩定氧化鋯薄膜的制備方法，穩定體材氧化鋯所采用的穩定劑是MnO₂，制備錳穩定氧化鋯薄膜所采用的方法是脈沖激光沉積法。本方法可以克服現有技術在制備氧化鋯薄膜時存在的單斜相與高溫相混存、襯底/薄膜界面處易出現第二相氧化物的問題，而且制備工藝簡單及重復性好，該方法制備的錳穩定氧化鋯薄膜與單晶襯底之間具有原子級的銳利界面。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種錳穩定氧化鋯薄膜的制備方法，其特征在于制備過程為：

(1)按照Zr_0.75Mn_0.25O₂中Zr∶Mn的摩爾比為3∶1稱取金屬氧化物ZrO₂粉末和MnO₂粉末，混合研磨后在1400℃溫度下恒溫處理12-24小時后取出；

(2)再仔細研磨，混合充分，在壓片機上用硬質鋼模具將混合粉末壓制成圓片；

(3)將步驟(2)中的圓片放在剛玉坩堝里，在硅碳管發熱體管式高溫爐內燒結，在氬氣氣氛中于1400℃溫度下燒結12-24小時，然后隨爐冷卻至室溫，得到相應的穩定氧化鋯樣品；

(4)對步驟(3)中的穩定氧化鋯樣品表面進行打磨制備成靶材；

(5)將沉積室預抽真空，以清洗后的YSZ單晶基片作為襯底，在氬氣氣氛中、壓力為5-10Pa的沉積氣壓和800-900℃襯底溫度下，用能量為550mJ和頻率為5-10Hz的脈沖激光剝蝕步驟(4)中所述靶材15-30分鐘以獲得薄膜，并在一個大氣壓氬氣中將所述薄膜冷卻至室溫，即制得錳穩定氧化鋯薄膜，其中，所述YSZ是指釔穩定的氧化鋯。

上述步驟(2)中所述壓片機的壓力為10Mpa。

上述步驟(5)中所述沉積室的真空度為2×10^-4Pa。

本發明與現有技術相比具有以下優點：本發明在較高襯底溫度和氬氣氣氛條件下制備，有利于消除襯底/薄膜界面非晶態層和第二相氧化物的形成，制備出的錳穩定氧化鋯薄膜具有良好c軸織構而且平整的表面；本發明可實現在較寬襯底溫度范圍內快速制備錳穩定氧化鋯薄膜。