[發明專利]一種高可靠性BZT無鉛外延單晶儲能薄膜及其制備方法

在審

• 申請號: 201810974140.7
• 申請日: 2018-08-24
• 公開（公告）號: CN109112484A
• 公開（公告）日: 2019-01-01
• 發明（設計）人: 馬春蕊;劉明;孫梓雄
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C23C14/08
• 分類號: C23C14/08;C23C14/35;C30B23/02;C30B29/22
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開了一種高可靠性BZT無鉛外延單晶儲能薄膜及其制備方法；該制備方法在高溫、高氧壓環境下，利用超高真空射頻磁控濺射技術，通過等離子體對靶材轟擊，使靶材粒子沉積在基片上，并實現外延生長，得到BZT外延薄膜。因射頻磁控濺射技術的特點，本身薄膜的生長速度較慢，使得通過該方法制備出的薄膜晶粒尺寸均勻，薄膜表面平整，結晶度好，結合BaZr_0.2Ti_0.8O₃陶瓷靶材優良的儲能特性，使其該陶瓷靶材作為BT?基儲能材料的儲能特性進一步增強。

技術領域

本發明涉及儲能薄膜材料領域，具體涉及一種高可靠性BZT無鉛外延單晶儲能薄膜及其制備方法。

背景技術

隨著各種電子設備的微型化、集成化與多功能化，對電子元器件的尺寸要求也日益嚴峻。薄膜材料相對塊體材料具有明顯的尺寸優勢，更重要的是：隨著薄膜材料日益深入的研究與探索，其具有很多塊體材料所不具有的物理特性。薄膜材料所具有的最大優勢就是其界面效應與尺寸效應，且研究至今，這些效應均對薄膜材料的性能起到了極大的改善作用。薄膜儲能材料的重要參數之一為儲能密度，迄今為止的薄膜儲能材料中的儲能最強的為鋯鈦酸鉛鑭陶瓷(PLZT)體系，其儲能密度達到了67J/cm³，然而由于其中鉛毒在生產中對自然環境以及人體的危害，極大的限制了其使用領域。

BT-基電介質材料一直被廣泛應用于各種領域的電子材料元器件中，通過不同元素的摻雜改性或者與其他材料的復合，BT-基電介質材料已經成為當今材料領域的一個重要的研究方向。作為一種優異的介電材料體系，BaZr_xTi_1-xO₃體系的高介電常數，低介電損耗，使得BaZr_xTi_1-xO₃(BZT)體系介電材料在某些方面的性能已經達到甚至超過鉛基材料水平，因此一直以來作為一種極其有潛力的鉛基材料替代品。

研究指出：同時具有高介電常數與高壓電系數的材料通常具有良好的鐵電儲能特性，但是BaZr_xTi_1-xO₃(BZT)體系介電材料在薄膜儲能材料中卻少有研究，其鐵電儲能特性究竟如何，也少見報道。可以預見，BaZr_xTi_1-xO₃體系在鐵電儲能領域還將具有更大的研究空間。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中存在的問題，提供一種高可靠性BZT無鉛外延單晶儲能薄膜及其制備方法，制得的儲能薄膜擊穿場強、儲能密度和儲能效率均較高，且基體不含鉛。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種高可靠性BZT無鉛外延單晶儲能薄膜的制備方法，包括以下步驟：

(1)將BaZr_0.2Ti_0.8O₃陶瓷靶材安裝在磁控濺射系統的靶位上；

(2)清潔基片后，將基片放入磁控濺射系統中的沉積腔中；

(3)預處理基片：將磁控濺射系統抽真空至10^-5-10^-4mbar，通入氧氣和氬氣混合氣體，加熱烘烤基片；

(4)預濺射BZT陶瓷靶材；

(5)濺射BZT陶瓷靶材，基片上進行外延薄膜生長；濺射時間為11-13h，生成的薄膜厚度為85-95nm；

(6)退火處理步驟(5)生成的薄膜；制得高可靠性BZT無鉛外延單晶儲能薄膜。

本發明的進一步改進在于：