[发明专利]基于Pt衬底的外延取向铌酸锂薄膜及其生长方法

说明书

本发明属于铁电薄膜生长方法领域，主要涉及同成分、掺镁和掺铁铌酸锂薄膜及其生长方法。选择(111)晶向Pt，简称Pt(111)，基片为衬底，选取提拉法生长的同成分、掺镁6.5mol％和掺铁8.0wt％的铌酸锂单晶为靶材。利用脉冲激光沉积方法，制备高质量的(006)外延取向同成分、掺镁6.5mol％和掺铁8.0wt％的铌酸锂薄膜。所述薄膜可应用于制备波导、微腔、传感器、探测器、电光调制器；所述方法操作简捷、易于纳米级高质量外延铌酸锂薄膜的生长，便于微观尺度铌酸锂薄膜铁电畴调控、为制作和研究铌酸锂薄膜器件奠定基础。

【技术领域】

本发明属于薄膜生长方法领域，即纳米级高质量(006)外延取向铌酸锂薄膜的生长。

【背景技术】

铌酸锂晶体是一种多功能人工晶体材料，其表现出优异的压电、铁电、热释电、非线性、电光、光折变等性能。热稳定性和化学稳定性好，具有易于生长大尺寸单晶、易加工、成本低等优点，在许多领域得到广泛应用并被不断开辟出新用途。铌酸锂晶体在红外探测器、光通讯调制器、光学开关、高频宽带滤波器、全息存储等领域获得广泛的研究和应用，但是良好结晶取向的纳米级别铌酸锂薄膜制备困难且麻烦、制备方法单一限制了其微观尺度功能器件的开发和研究。目前，铌酸锂薄膜的生长方法主要分为以下几类：1、在Al₂O₃、SiO₂、MgO等绝缘衬底上生长；2、在n型、p型硅片或者ZnO：Al上生长；3、剥离法，即在铌酸锂单晶表面剥离出铌酸锂薄膜。基于Al₂O₃、SiO₂、MgO等衬底生长的铌酸锂薄膜，由于其衬底不导电，所以不便于电学器件的制备和应用；在n型、p型硅片或者ZnO：Al上生长的铌酸锂薄膜，虽然具有一定的导电性，但是生长条件较为苛刻且不易制备高质量外延薄膜；剥离法虽然制得的薄膜质量较高、稳定性强，但是无法制备多种掺杂类型的铌酸锂薄膜且剥离厚度有限，无法制备出更小尺度的铌酸锂薄膜。因此，使用脉冲激光沉积方法在具有极好导电性且与铌酸锂晶格高度匹配的Pt(111)衬底上制备高质量外延铌酸锂薄膜填补了铌酸锂薄膜生长方法方面的空缺，具有重要的应用前景。

【发明内容】

本发明的显著特点是弥补了现有薄膜材料和生长方法的不足，提供了同成分、掺镁、掺铁，铌酸锂薄膜及生长方法。该铌酸锂薄膜结晶性及外延取向性好，厚度可调且表面平滑，易与其他功能型薄膜材料复合，可用于波导、微腔、电光调制器、光电探测器、超材料超表面微纳器件的制备；该薄膜生长方法简单方便，重复性高，保证了薄膜与靶材成分比例的一致性，提供了一种便于薄膜参数调控、器件结构灵活设计的方法，扩展了制备高质量铌酸锂薄膜的方法手段。

本发明是通过如下方法方案实现的：

采用脉冲激光沉积方法制备纳米尺度高质量(006)外延取向铌酸锂薄膜，采用不同掺杂类型的铌酸锂晶体作为靶材：同成分、掺镁6.5mol％、掺铁8.0wt％铌酸锂晶体，晶体均米用提拉法制得。

具体铌酸锂薄膜生长步骤如下：

1)检查激光器、真空系统以及电柜控制系统等设备是否运行正常，将采用提拉法制得的铌酸锂单晶靶材放置在靶托；

2)把用去离子水冲洗过的Pt(111)基片，依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水超声15-20min，然后使用高纯氮气吹干，放入生长室，开启激光器自检，使用机械泵和分子泵将生长室背底真空度抽至10^-6Pa，设定程序加热衬底，升温速率为20℃/min，待衬底加热到550℃将生长室通入一定流量的氧气，并关闭分子泵；

3)待分子泵完全关闭后，加大氧气流量将生长室氧压调节为30Pa，温度升至680～700℃后保持5min；

4)待衬底温度稳定后，调节衬底和靶材位置间距为5cm，旋转挡板隔断衬底与靶材，预溅射5min去除靶材表面残留物和杂质；