[发明专利]一种c轴择优取向的铌酸铋钙薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种c轴择优取向的铌酸铋钙薄膜及其制备方法。所述c轴择优取向的铌酸铋钙薄膜的制备方法为脉冲激光沉积法，包括：将CaBi₂Nb₂O₉靶材放入脉冲激光沉积系统腔体中，调节其与衬底的距离为30～70mm，在一定真空度下加热至600～800℃；向腔体内通入氧气使腔体压力维持在固定值，用脉冲激光对CaBi₂Nb₂O₉陶瓷靶材进行烧蚀，退火降温后得到铌酸铋钙薄膜。

技术领域

本发明属于薄膜材料的制备领域，尤其涉及一种c轴择优取向的铌酸铋钙薄膜及其制备方法。

背景技术

压电材料是一种可以实现电能和机械能相互转换的信息功能材料，广泛应用于航天航空、超声探测、水声探测等领域。并且随着小型化、集成化、多功能化的微机电系统(MEMS)的发展以及电子器件概念上的突破，极大地推动了块体材料向薄膜材料的研究转变，促使压电薄膜材料成为了材料领域一大研究热点。在一些工业领域里，比如航空航天、核电、汽车等领域，需要器件在高温条件下仍具备优异的压电性能和良好的热稳定性。其中铌酸铋钙具有高的居里温度(943℃)和较低的老化率在该领域中具有较大的应用潜力。

目前，仅在脉冲激光沉积、磁控溅射、聚合物前驱体三种方法制备CBN薄膜方面有少量研究，制备工艺尚不成熟。其中，A.Z.等人利用聚合物前驱体法成功制备了CBN薄膜(Mater.Chem.Phys.41,2006:1461-1467)，但该方法制备的薄膜致密性差，难以制备高择优取向薄；Jun Ouyang等人利用磁控溅射法通过选择匹配度较好的氧化物半导体单晶衬底、缓冲层以及氧化物导电底电极进行CBN薄膜取向调控，并获得中国专利(CN105296946A)，但该方法相对复杂，成本较高，与硅基半导体兼容性差。Cho.Desu.课题组利用脉冲激光沉积技术制备了c轴择优取向的CBN薄膜(Phys.Stat.Sol.(a)161,1997:371)，但其主要是使用n型或者p型单晶Si为衬底，并通过自旋刻蚀除去表面SiO₂氧化层并使衬底处于特定的终止面，该方法需要对衬底进行相对较严苛的处理，工艺复杂；并且高温下直接在单晶Si衬底上生长薄膜，元素间易发生相互扩散，存在表面缺陷，导致薄膜质量差。

发明内容

为解决CBN薄膜制备困难、难以获得纯相以及生长不可控等问题，本发明提供了一种c轴择优取向的铌酸铋钙薄膜及其制备方法。

第一方面，本发明提供了一种c轴择优取向的铌酸铋钙(CBN)薄膜的制备方法，所述方法为脉冲激光沉积法，包括：将CaBi₂Nb₂O₉靶材放入脉冲激光沉积系统腔体中，调节其与靶材距离为30～70mm，在一定真空度下加热至600～800℃；向腔体内通入氧气使腔体压力维持在固定值，用脉冲激光对CaBi₂Nb₂O₉陶瓷靶材进行烧蚀，得到铌酸铋钙薄膜。

优选地，所述CaBi₂Nb₂O₉靶材按照CaBi₂Nb₂O₉分子式的化学计量比配料，并使Bi过量2.5％～10％摩尔比。

本发明提供了一种利用脉冲激光沉积法制备CBN薄膜及取向调控方法，通过选择合适的工艺参数制备出了相组成单一的CBN薄膜。并且参数易调整、制备简单，为制备出良好的CaBi₂Nb₂O₉高温压电薄膜材料提供了新途径。本发明还通过设计非化学计量比靶材，增加靶材挥发性元素Bi的含量，有助于减少元素挥发带来的薄膜化学组成偏析问题。而且设计Bi过量，在薄膜制备过程中，调节氧压、靶间距等参数时，制备窗口相对大一些。但是当Bi过量超过10％摩尔比时，可能会产生过量Bi导致的杂相生成，不利于薄膜的制备。