[发明专利]一种在宽禁带半导体衬底上制备无铅铁电薄膜的方法

说明书

本发明提供一种在宽禁带半导体衬底上制备无铅铁电薄膜的方法，先制备包含Ba、Mn和Ti的前驱体溶液，再将前驱体溶液旋凃到预处理好的p‑GaN衬底上，再干燥、热解、退火，重复数次之后得到无铅铁电薄膜，本发明通过溶胶凝胶合成法在宽禁带半导体衬底(GaN)上制备无铅铁电薄膜，制备得到的薄膜材料具有非常宽的负电卡效应，还具有纯度高、致密性好、平均晶粒尺寸小、电场击穿强度大、储能密度高、负电卡效应工作温度范围广等优点。

技术领域

本发明属于铁电薄膜制备技术领域，特别涉及一种在宽禁带半导体衬底上制备无铅铁电薄膜的方法。

背景技术

制冷是人们日常生活中必不可少的事情，从水果、蔬菜、肉类保鲜，到空调的使用，再到医用方面的器官冷藏、核磁共振成像等，都需要制冷。传统的气体压缩制冷效率较低，而且使用氟利昂作为制冷器，会对臭氧层产生破坏，面对日益严峻的环境问题，人们对环境友好型冷却技术的需求与日俱增。

电卡效应(Electrocaloric Effect)制冷集高效，节能，环保等优点，是一种非常有潜力的替代方案。电卡效应是在极性材料中因外电场的改变从而导致极化状态发生改变而产生的绝热温度或等温熵的变化。由于点卡效应直接与极化强度的变化相关，因而强极性的铁电材料能产生较大的电卡效应。对极性材料施加电场，材料中的电偶极子从无序变为有序，材料的熵减小。移去电场，材料中的电偶极子从有序变为无序，材料的熵增加，在等温条件下，材料从外界吸收热量使能量守恒，或在绝热条件下，不足的熵导致材料温度下降，通过这样的原理实现制冷。

铁电体材料因其具有在外加电场下的电卡特性引起了越来越多的研究关注，铁电薄膜电卡效应的研究也有了很大进展。研究人员认为，结合正负电卡效应可以实现更高的冷却效率。为此需要得到更大的电卡效应和更宽的工作温度范围(△T半高宽≥50K)。目前已经有很多种策略扩大薄膜的正电卡效应，且正电卡效应通常有很广泛的工作温度范围，但是对于负电卡效应，现有的铁电薄膜很难完全满足应用的要求，因此还需要寻找新的手段扩大它的负电卡效应和扩宽工作温度范围。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提供一种在宽禁带半导体衬底上制备无铅铁电薄膜的方法，以宽禁带半导体材料为衬底，通过溶胶凝胶合成法在其之上制备出无铅铁电薄膜，该薄膜具有非常宽的负电卡效应。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种无铅铁电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备前驱体溶液：制备冰醋酸和去离子水的混合溶液，将Ba盐和Mn盐溶解于其中，得到第一混合液体；制备冰醋酸和乙酰丙酮的混合溶液，将Ti(OCH(CH₃)₂)₄溶于其中，得到第二混合液体；将第一混合液体和第二混合液体再次混合，搅拌均匀后得到Mn-BaTiO₃前驱体溶液；

(2)p-GaN衬底前处理：将p-GaN衬底先用酒精清洗，再用超声清洗机酒精清洗，再进行等离子清洗，最后预热清洗好的p-GaN衬底；

(3)旋凃：将步骤(1)制得的前驱体溶液旋凃到步骤(2)得到的p-GaN衬底上，旋凃的转速为3000～5000rpm，旋凃时间为30～40s；

(4)干燥、热解、退火：将步骤(3)得到的材料在200-300℃干燥3～10分钟；然后在400～500℃热解3～10分钟；再在700～800℃退火3～10分钟；

(5)重复步骤(3)～(4)，制得多层无铅铁电薄膜，所述多层无铅铁电薄膜的厚度为235～245nm。

其中，步骤(1)中，将冰醋酸和去离子水按照体积比6:1混合，将Ba盐和Mn盐于80℃溶解于其中；将冰醋酸和乙酰丙酮按照体积比20:3混合。