[發明專利]一種鈦酸鍶/釕酸鍶鐵電超晶格薄膜材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201910808114.1
• 申請日: 2019-08-29
• 公開（公告）號: CN110643948A
• 公開（公告）日: 2020-01-03
• 發明（設計）人: 王占杰
• 申請（專利權）人: 沈陽工業大學
• 主分類號: C23C14/28
• 分類號: C23C14/28;C23C14/08
• 代理公司: 21001 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司
• 代理人: 張晨

本發明的目的在于提供一種鈦酸鍶/釕酸鍶鐵電超晶格薄膜材料及其制備方法，該材料由周期性生長的量子順電絕緣體鈦酸鍶和金屬導電性氧化物釕酸鍶所構成。本發明的鈦酸鍶/釕酸鍶鐵電超晶格薄膜材料是一種高性能的無鉛鐵電材料，其剩余極化強度達到33.0μC/cm²，比傳統的無鉛鐵電材料鈦酸鋇薄膜提高了750％，可與目前常用的鋯鈦酸鉛(Pb(Zr_xTi_1?x)O₃)鉛基鐵電薄膜材料相媲美。該材料的制備方法是利用脈沖激光沉積法在單晶基板上交替生長釕酸鍶和鈦酸鍶，通過控制激光轟擊不同靶材的時間，精確地調控超晶格的周期厚度。鈦酸鍶/釕酸鍶鐵電超晶格薄膜材料作為一種高性能的無鉛鐵電材料可以替代Pb(Zr_xTi_1?x)O₃鉛基鐵電薄膜，在鐵電存儲器和傳感器、致動器等集成鐵電器件上具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于電子信息材料、功能材料和智能材料領域，具體涉及一種鈦酸鍶/釕酸鍶鐵電超晶格薄膜材料及其制備方法。

背景技術

鐵電薄膜是一類重要的電子信息材料、功能材料和智能材料，由于其具有優越的鐵電性、壓電性、熱釋電性、介電性等重要的特性，可制作鐵電隨機存儲器、傳感器、致動器、晶體場效應管、聲表面波器件、熱釋電探測器等多種微電子元器件。目前，常用的鐵電材料是以鋯鈦酸鉛(Pb(Zr_xTi_1-x)O₃，簡稱PZT)為代表的鉛基氧化物陶瓷材料。由于鉛基鐵電材料中含有大量的PbO，因此在其生產、使用和廢棄后的處理過程中存在著對生態環境嚴重污染的風險。近年來，為應對全球日益加劇的環境污染問題，世界各主要國家相繼頒布了關于在電子電器設備中禁止使用某些有害物質指令和電子信息產品污染防治管理辦法。其中，含鉛的鐵電、壓電材料就是被限制使用的物質。所以，研發和應用“環境友好”的無鉛鐵電材料不僅是一個重要的科學技術問題，而且已經成為備受人們關注的社會問題。

近幾年,無鉛鐵電材料的開發與應用已經取得了一些進展。但是與傳統的PZT系鉛基鐵電材料對比，無鉛鐵電材料的鐵電、壓電、介電等性能還存在著比較大的差距。因此,開發高性能的無鉛鐵電材料，使其性能達到甚至超過傳統的PZT系鉛基鐵電材料，是實現用無鉛鐵電材料替代鉛基鐵電材料必須解決的一個關鍵問題。

鈦酸鍶(SrTiO₃)是一種具有立方鈣鈦礦結構(c＝a)的量子順電絕緣體，不具有鐵電性。但是，一些外部因素可以破壞SrTiO₃晶格的空間反演對稱性，使其出現鐵電性，因此SrTiO₃也被稱為初始鐵電體。據報道，通過A位離子摻雜、同位素取代和應變效應等方法可以使SrTiO₃出現鐵電性。另外，在低氧壓下生長的SrTiO₃外延薄膜具有較大的四方性(c/a>1)和晶格體積，也可以出現室溫鐵電性。但是，通過這些方法在SrTiO₃上所誘導出的鐵電性與傳統的鐵電材料對比非常小，因而沒有實用價值。但是，我們發現由SrTiO₃和釕酸鍶(SrRuO₃)作為組成材料所構成的超晶格薄膜材料具有優越的鐵電極化性能。在SrTiO₃/SrRuO₃超晶格薄膜材料中，將SrRuO₃厚度控制在2個單胞，SrTiO₃厚度控制在25個單胞，其剩余極化強度高達33.0μC/cm²，與傳統的無鉛鐵電材料BaTiO₃薄膜對比增加了近750％，可與鉛基鐵電材料PZT薄膜相媲美。這無疑對無鉛鐵電薄膜材料的發展與應用具有十分重要的意義。

發明內容