[发明专利]La-Sn共掺杂钛酸铋基铁电薄膜及其制备方法

说明书

La‑Sn共掺杂的钛酸铋基铁电薄膜，该铁电薄膜材料的化学式为Bi_4‑xLa_xTi_3‑ySn_yO₁₂，其中0＜x≤1，0＜y≤0.1。其制备方法步骤为：配制溶胶→制备前驱膜→快速热处理→铁电薄膜；该方法以水合硝酸铋、硝酸锡、水合硝酸镧和钛酸正四丁酯为前驱物，以柠檬酸为溶剂，以EDTA为螯合剂配制前驱液，经旋转涂覆后快速热处理制得光滑致密的Bi_4‑xLa_xTi_3‑ySn_yO₁₂薄膜。该薄膜与Bi₄Ti₃O₁₂和Bi_4‑xLa_xTi₃O₁₂薄膜相比，具有显著提高铁电剩余极化值和抗疲劳性能，该薄膜的制备工艺简单，无须昂贵的过渡金属有机盐，从而使其在非易失性铁电存储器领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及铁电存储和功能薄膜制备技术领域，具体是La-Sn共掺杂钛酸铋基铁电薄膜及其制备方法。

背景技术

铁电随机读写存储器具有非挥发性、低功率消耗、高读写速度、高密度存储、抗辐射特点，是最具发展潜力的存储器之一，在计算机、航空航天和通讯电子等领域具有广泛应用前景。铁电薄膜是具有铁电性且厚度尺寸为纳米至微米级的薄膜，因其铁电极化反转电压低、与半导体集成电路工艺兼容性好等优点，成为人们关注热点。在铁电薄膜中，锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O₃)薄膜具有较大的铁电剩余极化值和较低的反转电压，目前已经获得商业化应用，然而一方面其在与金属电极构成的器件中抗疲劳性能较差，并且含有害金属元素Pb，因此在很大程度上限制了其应用范围。为了发明无铅、环保的铁电薄膜，抗疲劳性能优越的钽酸铋锶(SrBi₂Ta₂O₉)被成功研制出来，但其缺点是铁电剩余极化值低，且制备温度高，不易与现存硅集成电路(CMOS或GaAs电路)兼容。《Nature》杂志曾报道一种La³⁺掺杂的钛酸铋(Bi₄Ti₃O₁₂)铁电薄膜，其剩余极化值与Bi₄Ti₃O₁₂相比有了明显的提高，而且La³⁺掺杂明显地提高了其抗疲劳性，随后有很多关于稀土元素掺杂钛酸铋铁电薄膜的报道，包括Nd³⁺、Pr³⁺、Eu³⁺等三价稀土离子掺杂或这些稀土离子与过渡金属离子如Nb⁵⁺、W⁶⁺和Mo⁶⁺共掺杂的钛酸铋铁电薄膜，与未掺杂的钛酸铋铁电薄膜相比，铁电性能均有所提高。其采用这些薄膜被认为具有一定的推广应用价值。中国专利CN202210562469.9公布了一种钛酸铋系列铁电薄膜的制备方法，通过稀土元素和过渡金属元素共掺杂制备铁电薄膜的方法，采用的方法为溶胶-凝胶法，在铁电薄膜的成分上采用的是过渡金属共掺杂，烧结温度在750-850℃之间，其未给出表征材料铁电性最重要的铁电电滞回线图，在铁电疲劳测试中可逆铁电剩余极化值很低，2Pr不到10μC/cm²，因此该技术还有很大的工艺改进和提升空间。

发明内容

本发明提出的La-Sn共掺杂的钛酸铋基薄膜，在国内外首次公布Sn在提高钛酸铋基铁电薄膜铁电性方面的应用。用其替代Nb、W和Mo等稀有金属离子在铁电材料中应用具有很好的成本优势。另一方面，以硝酸锡替代价格昂贵的过渡金属有机盐作为前驱物，更好地发挥了溶胶-凝胶法在降低铁电薄膜制备成本方面的优势。本发明提出的钛酸铋基铁电薄膜及其制备方法，制备过程十分简单、生产效率低，同时使钛酸铋薄膜的铁电剩余极化强度显著提高，使薄膜抗疲劳性明显增强。

本发明第一个目的在于提供一种具有优异性能的铁电薄膜，其具有很高的铁电剩余极化强度和优良的抗疲劳性能。