[發明專利]一種抗高劑量伽馬射線輻射和耐高溫的柔性鐵電外延薄膜

在審

• 申請號: 202210580006.5
• 申請日: 2022-05-26
• 公開（公告）號: CN115000290A
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 劉亞靜;李偉偉;楊浩
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H01L41/316
• 分類號: H01L41/316;H01L41/39;H01L41/187;C30B23/02;C30B29/22
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 戴朝榮

本發明提供一種抗高劑量伽馬射線輻射和耐高溫的柔性鐵電Pb(Zr_0.53Ti_0.47)O₃外延薄膜，該薄膜通過以下方法制備：S1、以BaTiO₃(BTO)、SrRuO₃(SRO)、Pb_1.1Zr_0.53Ti_0.47O₃(PZT)靶材作為生長源，將云母粘在基片托上烘干，作為襯底；將生長源和襯底置于腔內，并抽真空；S2、啟動加熱系統加熱爐體后，打開氧氣進氣閥門，固定氧氣分壓在0.1mbar，打開krF激光出光，調整激光打在BTO和SRO靶材上的能量密度為1.1J·cm^?2，頻率為3Hz，依次生長BTO緩沖層和SRO底電極層；S3、BTO和SRO層沉積結束后，繼續升溫并將氧氣分壓固定在0.15mbar，激光能量密度固定在1.36J·cm^?2，頻率為4Hz，沉積PZT鐵電層；S4、PZT鐵電層沉積結束后，PZT/SRO/BTO/云母薄膜在5mbar的氧氣分壓下原位退火15分鐘，然后自然冷卻降至室溫。

技術領域

本發明涉及柔性鐵電薄膜電子器件領域，具體涉及一種抗高劑量伽馬射線輻射和耐高溫的柔性鐵電外延薄膜。

背景技術

隨著人類在航天技術、核物理、放射治療技術(如核成像、放射治療等)的不斷進步，在惡劣環境(輻射和高溫)下對基于鐵電氧化物的電子器件的需求越來越大。鐵電氧化物由于具有高介電系數、高機電響應、自發極化等優點，在換能器、鐵電隨機存取存儲器(FeRAM)和壓電傳感器等領域中得到了廣泛的研究和應用。其中，鉛基鐵電氧化物PbTiO₃、Pb(Zr_1-xTi_x)O₃和0.7Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.3PbTiO₃等具有比其它電子材料抗更高輻射和耐高溫性而受到廣泛研究。在受到5Mrad(Si)伽馬射線輻照后，剛性PZT薄膜的介電和壓電響應下降30％以上(R.M.Proie,R.G.Polcawich,C.D.Cress,et al.；Total Ionizing DoseEffects in Piezoelectric MEMS Relays,IEEE T.Nucl.Sci,60,4505(2013))。La摻雜PZT薄膜在5Mrad小劑量伽馬射線輻照后極化衰減20％，并且輻照后的薄膜尚未經過高溫檢測(C.H.Ma,J.Jiang,P.W.Shao,et al.；Transparent Antiradiative FerroelectricHeterostructure Based on Flexible Oxide Heteroepitaxy,ACS Appl.Mater.Inter,10,30574(2018))。PMN-PT剛性薄膜受到暴露于10Mrad(Si)的伽馬射線輻射后，極化強度衰減5％，壓電響應衰減15％(E.S.Chin,C.D.Cress,R.Q.Rudy,et al.；Processing-Structure-Property Relations for Radiation Tolerance of Relaxor-FerroelectricThin Films,IEEE T.Ultrason.Ferr,67,1931(2020))。因此，目前鐵電氧化物薄膜的輻射硬度依然達不到實際應用需求，而且大部分沒有在高溫下檢測輻照后鐵電薄膜鐵電穩定性。

此外，某些特殊的需求對鐵電氧化物電子器件的小型化、便攜性和柔性提出更高的要求。目前，金屬箔、柔性聚合物和柔性玻璃已被廣泛用作柔性基底來構建柔性電子設備。然而，由于這些柔性基底與鐵電氧化物之間的晶體結構不同、晶格失配大、熱膨脹系數不兼容，在這些可彎曲基底上生長的鐵電氧化物薄膜容易形成結構缺陷，加速其受到輻射后物理性能的退化。因此，制備與研究抗高劑量輻射與耐高溫能力的云母基柔性鐵電氧化物外延薄膜非常有必要，該工作在極端環境下(輻射、高溫)柔性鐵電薄膜器件的開發領域具有重要的基礎意義和技術意義。

發明內容