[發(fā)明專利]一種低介電損耗CaCu3Ti4O12薄膜的制備方法

有效

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• 申請日: 2013-12-23
• 公開（公告）號: CN103695872A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林媛;馮大宇;吉彥達;靳立彬
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: C23C18/12
• 分類號: C23C18/12;H01B3/10
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 李明光

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電介質(zhì)材料合成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低介電損耗CaCu₃Ti₄O₁₂薄膜的制備方法。

背景技術(shù)

高介電常數(shù)材料（ε＞1000）的開發(fā)和研究為大容量電容器的應(yīng)用和電子元件的小型化、微型化帶來了飛速的發(fā)展。迄今為止，一些高介電常數(shù)材料已經(jīng)在實際器件中得到應(yīng)用。2000年人們發(fā)現(xiàn)CaCu₃Ti₄O₁₂(CCTO)在1kHz交流電場作用下介電常數(shù)可達12,000，并且在100K到400K的溫度范圍內(nèi)，介電常數(shù)基本不變，其單晶樣品低頻介電常數(shù)甚至可達10⁵。CCTO的高介電特性一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，立即引起了人們的廣泛關(guān)注，但是，介電常數(shù)越高的電介質(zhì)材料，介電損耗也越大，因此CCTO在具有高介電常數(shù)的同時也具有較大的介電損耗，這也限制了CCTO的廣泛應(yīng)用。CCTO多晶陶瓷樣品室溫下?lián)p耗為0.067(100kHz)、0.1(1kHz),CCTO薄膜室溫下?lián)p耗為0.2(10～100kHz)，單晶樣品的損耗則更高。然而在實際應(yīng)用中，電介質(zhì)材料的損耗一般需要控制在0.05以下，因此在保持高介電常數(shù)的同時，如何降低CaCu₃Ti₄O₁₂材料的介電損耗對于實際應(yīng)用有著重大的意義。

目前制備CaCu₃Ti₄O₁₂材料的方法主要有物理氣相沉積（如磁控濺射、脈沖激光沉積和分子束外延等）、化學(xué)氣相沉積和溶膠凝膠法等。物理和化學(xué)氣相沉積通常都需要在真空環(huán)境下進行生長，所以需要復(fù)雜和昂貴的真空設(shè)備，因而不可能大批量生長。而以溶膠凝膠法為代表的化學(xué)溶劑沉積法突破了對真空設(shè)備的依賴，體現(xiàn)了設(shè)備簡單、成本低，可大面積制備薄膜等優(yōu)點。但在溶膠凝膠法中，前驅(qū)物溶液需要經(jīng)過水解和縮合反應(yīng)，溶液的穩(wěn)定性較難控制。尤其在制備多元化合物時，由于各種金屬醇鹽的水解反應(yīng)速度存在差別，難以控制薄膜中各種元素的化學(xué)計量比。高分子輔助沉積法是近年發(fā)展起來的一種新的化學(xué)溶劑沉積方法。2004年，來自美國的JIA?Q?X等人第一次報道了高分子輔助沉積方法（《Polymer-assisted?deposition?of?metal-oxide?films（高分子輔助沉積法制備金屬氧化物薄膜）》，參見Nature?Materials,2004,3:529-532，JIA?Q?X,MCCLESKEY?TM,BURRELL?A?K,et?al.），并采用該方法在LaAlO₃和Al₂O₃基底上成功制備出了TiO₂、BaTiO₃等氧化物薄膜。該方法首先將金屬無機鹽和水溶性的高分子混合，通過金屬與高分子鍵合形成均勻穩(wěn)定的前驅(qū)物溶液，然后將前驅(qū)物溶液涂覆到基片上，最后在常壓下，根據(jù)不同基底通入不同的混合氣體，在保證一定實驗氣氛的條件下，通過熱處理使鍵合斷開高分子分解形成固體薄膜。高分子輔助沉積方法不僅具有溶膠凝膠法的低成本、大規(guī)模、以及可在柔性或者不規(guī)則襯底上制備薄膜的優(yōu)點，還可以精確控制多元組分薄膜中各元素的化學(xué)計量比，穩(wěn)定性和可控性好。JIA?Q?X等人采用高分子輔助沉積方法制備了TiO₂、BaTiO₃等簡單的氧化物，通過X射線衍射、透射電鏡、介電測試和光學(xué)測試等對薄膜的結(jié)構(gòu)和性能進行了表征，結(jié)果表明高分子輔助沉積法制備的簡單的氧化物薄膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能良好、質(zhì)量高，在傳感器、電光調(diào)制器、記憶組件和各類電容器的制備等電子器件領(lǐng)域都有很大的潛在應(yīng)用前景。

但是，對于復(fù)雜的多元金屬氧化物，利用高分子輔助沉積法制備時，在特定的外界環(huán)境下（如高溫），會因內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成晶格中的氧脫離，導(dǎo)致氧缺失，形成較多氧空位，而在介電材料中，高溫電導(dǎo)大多來自材料中缺陷的貢獻，其中氧空位的貢獻不容忽視，因此大量氧空位的存在會使材料的介電損耗升高。實驗證明，高分子輔助沉積法制備的CCTO薄膜表面平整，介電性能良好，但是由于氧空位等缺陷較多，其介電損耗在常壓下為0.06（10KHz～1MHz）。然而在實際應(yīng)用中，電介質(zhì)材料的損耗一般需要控制在0.05以下，因此在高分子輔助沉積法制備CCTO薄膜的探索中，有必要尋找一種簡單且能有效降低CCTO薄膜介電損耗的方法。