[发明专利]一种对较厚铁电薄膜实施应力工程用于材料改性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对大于100nm的较厚的铁电薄膜实施“应力工程”，用于材料改性的方法，属于功能薄膜材料技术领域。

背景技术

在薄膜材料中，应力几乎无处不在。尤其在外延薄膜中，应力对薄膜材料性能的影响起着举足轻重的作用。在铁电薄膜材料中，常见研究者们利用应力来增强铁电性能。并且，在当今已经发展为成熟的应力工程。发表在Science和Nature上的代表作完美地展现了应力工程对铁电性能极大的提高，这对所制作成的相关光电，信息，功能器件性能的改善，具有很深的直接意义。然而，薄膜中的应力随着膜厚增加很快地弛豫，直至当膜厚达到临界厚度后，应力效应消失。因而从实际工程应用的角度上来说，应力工程的意义不大。

另一方面，近十几年来多铁性材料的研究开始兴起。由于同时具有很强铁电和磁性，并同时具有很强的磁、铁耦合系数的单相材料几乎找不到(制备不出来)，于是研究者开始用铁电和磁性两个单相混合在一起，做成合成薄膜。合成薄膜制备成的结构形式有水平的多层薄膜(multilayer，2-2型)和垂直的纳米结构薄膜(nanostructure，1-3型，为了提高耦合系数)。2-2型和1-3型合成薄膜形式如图1和图2示。在1-3型的结构中，研究人员发现可以突破厚膜对应力效应的限制，在垂直方向上施加应力。随后，一系列有关纳米结构的合成薄膜中，应力对薄膜性能提高的研究结果如雨后春笋般见诸报道于各种权威杂志上。

虽然，这种1-3型纳米结构的薄膜对提高两个不同相的耦合系数有利，但对提高单相材料的性能并不利。比如，原来100％的PZT薄膜，现在掺入了x％的CFO，具有铁电性的PZT含量就降为(1-x)％。因而，随着所掺CFO含量x的提高，整个薄膜的铁电性将随之降低。

申请人在研究CFO／PZT(CoFe₂O₄／Pb(Zr_0.2)Ti_0.8O₃，2-2型)复合双层薄膜[23，24]过程中，发现了奇异的应力现象。传统的应力作用是当薄膜受到面内(in-plane)张应力时，薄膜的面外(out-of-plane)晶格常数将收缩，如图3所示。而当受到面内压应力时，面外晶格常数将伸长，如图4所示。然而我们发现，在制备的CFO／PZT复合双层薄膜中，当薄膜受到面内张应力时，薄膜的面外晶格常数在适当的情况下是可以伸长的。这种奇异应力效应在光电功能器件上有着广泛的工程技术应用价值。

从块体材料发展到薄膜材料能大大地节省材料的使用，可以大大降低操作电压，使器件能与现有的标准半导体电路集成。并且，从块体到薄膜可以提高材料的性能。而薄膜的“应力工程”又可以大大地提高薄膜本身的性能。但薄膜的“应力工程”随着膜厚(一般小于100nm)的增加很快就发生弛豫现象。这种能实施有效“应力工程”，对薄膜既要求很薄的均匀薄膜，又要求很高质量的外延性。这就大大增加了制备的难度，因而，大大地提高了成本。在实际生产中，这种高成本的生产是商家几乎无法接受的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种操作方法简单、性能稳定、重复性好，且能大幅提高大于100nm的厚光电功能薄膜材料的性能、降低生产成本的方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种对较厚铁电薄膜实施应力工程用于材料改性的的方法，其特征在于：通过采用磁控溅射，在STO衬底上相继沉积LNO₃底电极、PZT薄膜和CFO薄膜，并形成a、c电畴共存的PZT薄膜层；具体由以下2个步骤组成：

步骤1：溅射靶的制备

步骤1.1：LNO陶瓷靶

用纯度为99.9％La₂O₃和Ni₂O₃粉末按1∶1的La、Ni原子比混合研磨后压制成块体，高温烧结，制成LaNiO₃陶瓷靶；

步骤1.2：PZT陶瓷靶

由PbO、ZrO₂和TiO₂粉末均匀混合，压制成形，最后烧结而成;

步骤1.3：CFO陶瓷靶

由CoO和Fe₂O₃粉末均匀混合研磨后压制成形，最后高温烧结，制成CoFe₂O₄陶瓷靶；

步骤2：薄膜材料的制备