CN102051582B - 一种在Si衬底上制备高（100）取向BiFeO3薄膜的方法 - Google Patents

一种在Si衬底上制备高（100）取向BiFeO3薄膜的方法 Download PDF

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本发明公开了一种在Si衬底上制备高(100)取向BiFeO3薄膜的方法，属于功能材料制备技术领域。对Si衬底进行预处理；利用脉冲激光沉积方法，采用LaNiO3靶材，在上述衬底上制备高取向的LaNiO3薄膜；利用脉冲激光沉积方法，采用BiFeO3靶材，在LaNiO3薄膜上制备高取向的BiFeO3薄膜。本发明制备的产品兼容性好，膜晶粒大小均匀，排列致密，结晶度高，取向性好。

Description

一种在Si衬底上制备高(100)取向BiFeO3薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种在Si衬底上沉积高(100)取向LaNiO3底电极薄膜，并在电极上沉积高(100)取向BiFeO3薄膜的方法，属于功能材料制备技术领域。
背景技术
多铁性材料是一种因为电、磁有序而导致铁电性和磁性共存并具有磁电耦合性质的材料。铁电性和磁性的共存使得这种材料可由电场诱导产生磁相变，同时磁场也可以诱发铁电极化，此性质被称为磁电效应。
多铁性材料是非常重要的先进功能材料，广泛应用于换能器、传感器、敏感器等电子器件，在传感、驱动、存储及智能系统等高技术领域占主导地位；在器件微型化、需求多样化的现代生产生活中，越来越迫切地需要同时具备多种功能的材料；多铁性磁电薄膜可以用于制造集成的磁/电器件，如微型传感器、MEMS器件、高密度的信息储存器件等。另外，该材料的铁电与磁性参量的耦合也为其在自旋电子器件方面的应用提供了可能，这种序参量的耦合在基础物理方面也具有极其重要的意义。
在单相多铁性材料中，BiFeO3的铁电居里温度为820℃，反铁磁奈尔温度为370℃，是极少数在室温以上共存铁电性及磁性的材料。目前它的性能仍达不到器件应用的要求，因此人们通过各种途径——掺杂、复合、择优取向来进一步提高其性能。
择优取向是通过获得高度单一取向高结晶度的薄膜来提高铁电有序度从而提高铁电性，同时反铁磁螺旋式自旋结构会因为薄膜中外延应力或增强的各向异性而受到抑制从而产生较强的磁性。因此获得高度择优取向的BiFeO3薄膜是一种简单而有效的提高其铁磁铁电性能的途径。
在制备择优取向(100)、(111)BiFeO3薄膜时，选择合适的衬底和底电极材料是非常重要的。目前用到的衬底材料大多数为价格昂贵的SrTiO3(100)、SrTiO3(111)、LaAlO3(100)、LaAlO3(111)等，(111)取向的衬底价格比(100)取向更高，并且这种衬底不能与大规模半导体生产工艺相兼容；而常用的Si/SiO2/TiO2/Pt衬底，由于Pt与BiFeO3晶格失配度大，在其上面不能得到择优取向BiFeO3薄膜；另外，在众多的底电极材料La0.5Sr0.5CoO3、YBa2Cu3O7-x、SrRuO3和LaNiO3中，LaNiO3是一种赝立方的钙钛矿结构，结构简单，原料价格低廉，具有较低的电阻率；但制备纯相LaNiO3靶材相对困难，也难以沉积高结晶度高择优取向的LaNiO3薄膜。
在制备择优取向BiFeO3薄膜方法上，化学法工艺上相对简单，但得到薄膜的晶粒致密度较差，受衬底应力束缚较小，很难得到高择优取向的薄膜。我们选择了脉冲激光沉积法，这种方法沉积速率较快，衬底温度要求低，制备的薄膜均匀，良好的保成分性，工艺参数易调节。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种选用合适的衬底、底电极以及制备方法，在与大规模半导体工艺相兼容的同时，节省了成本，提高了薄膜的铁磁铁电性能。
本发明所制备的高(100)取向BiFeO3薄膜薄膜的方法，包括以下步骤：
a)Si(100)衬底的预处理：将衬底依次用甲苯、丙酮、乙醇在超声清洗器中充分清洗后，再用去离子水冲洗，并浸泡在乙醇中备用；
b)利用脉冲激光沉积方法，采用LaNiO3靶材，在上述衬底上，在激光能量400毫焦/脉冲，衬底温度650-750℃，沉积氧压5-8Pa，靶基距50mm，脉冲激光频率3-5Hz的条件下，沉积时间20min，原位退火20min，得到400nm厚的高结晶度高(100)取向的LaNiO3薄膜；
c)利用脉冲激光沉积方法，采用BiFeO3靶材，在LaNiO3薄膜上，在激光能量350毫焦/脉冲，衬底温度600-700℃，沉积氧压0.1-2Pa，靶基距50mm，脉冲激光频率5-7Hz的条件下，沉积时间30min，300Pa氧压下原位退火20min，得到400nm厚的高结晶度高(100)取向的BiFeO3薄膜。
上述LaNiO3靶材和BiFeO3靶材采用如下方法制备的LaNiO3陶瓷靶材和BiFeO3陶瓷靶材。
LaNiO3陶瓷靶材制备工艺：La2O3和NiO(纯度为99.99％)以摩尔比1∶1配比，球磨24h使其混合均匀后在850℃煅烧3h得到LaNiO3粉体，掺胶压成靶材，560℃下保温9h排胶，然后在1050℃氧气氛中烧结4h制备成陶瓷靶材。
BiFeO3陶瓷靶材制备工艺：按照Bi2O3(99.9％)∶Fe2O3(99.9％)摩尔比＝1.1∶1的配料比，球磨24h使其混合均匀后在750℃下煅烧4h得到BiFeO3粉体，用0.5mol/l的稀HNO3洗滤，得到相对纯相的BiFeO3粉体；再在此粉体基础上加入10％的Bi2O3粉，混合均匀后掺胶压成靶材，560℃下保温9h排胶，在830℃烧结1h得到BiFeO3陶瓷靶材。
本发明在廉价的能与大规模半导体工艺相兼容的Si衬底上制备出了高结晶度高(100)取向的LaNiO3底电极和BiFeO3薄膜。LaNiO3既起到做底电极又做缓冲层的作用，做底电极是因为它是一种电阻率较低的导电氧化物，作缓冲层是因为Si与BiFeO3失配度大，无法得到择优取向BiFeO3薄膜，而在中间加上LaNiO3后，LaNiO3晶格常数为0.384nm，其(100)面与Si(100)面成对角晶格匹配，失配度仅为0.01％，因此可以在Si衬底上诱导择优取向的LaNiO3薄膜，而BiFeO3晶格常数为0.396nm，与LaNiO3同为钙钛矿结构，晶格失配度为3％，在其上面可以诱导出高度择优取向的BiFeO3薄膜。
本发明的有益之处在于：选用廉价的Si衬底和廉价的LaNiO3底电极，在其上面制备出了高结晶度高(100)取向的BiFeO3薄膜。二者均呈现高结晶度和高(100)取向，在提高磁电性能的同时，解决了其他衬底如SrTiO3、LaAlO3等价格昂贵且不能与大规模传统半导体产业相兼容的难题。
脉冲激光沉积法，沉积速率较快，衬底温度要求低，制备的薄膜均匀，良好的保成分性，工艺参数易调节。本发明相对于化学法制膜晶粒大小均匀，排列致密，结晶度高，取向性好。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备LaNiO3和BiFeO3薄膜的XRD图谱；
图2为本发明实施例1所制备LaNiO3薄膜的扫描电镜照片
图3为本发明实施例1所制备BiFeO3薄膜的扫描电镜照片
图4为本发明实施例1所制备BiFeO3薄膜的电滞回线
图5为本发明实施例1所制备BiFeO3薄膜的磁滞回线
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于所陈述的实施例
实施例1
a)Si(100)衬底的预处理：将衬底依次用甲苯、丙酮、乙醇在超声清洗器中充分清洗后，再用去离子水冲洗，并浸泡在乙醇中备用；
b)利用脉冲激光沉积方法，采用自制的LaNiO3靶材，在上述衬底上，利用脉冲激光沉积法，在Si(100)衬底上，衬底温度为750℃，工作氧压为5Pa，激光能量为400毫焦/脉冲，脉冲频率5Hz，靶基距50mm，沉积LaNiO3薄膜。所得薄膜的XRD图谱如图1所示，薄膜呈现高度(100)取向。薄膜形貌如图2所示，薄膜厚度为400nm，粒径约50nm，柱状晶粒排列致密均匀。
c)利用脉冲激光沉积方法，采用自制的BiFeO3靶材，在LaNiO3薄膜上，在激光能量350毫焦/脉冲，衬底温度700℃，沉积氧压2Pa，靶基距50mm，脉冲激光频率5-7Hz的条件下，沉积时间30min，300Pa氧压下原位退火20min，得到高结晶度高(100)取向的BiFeO3薄膜。所得薄膜的XRD图谱如图1所示，薄膜呈现高度(100)取向。薄膜形貌如图3所示，薄膜厚度为400nm，粒径约400nm，柱状晶粒排列致密均匀。
LaNiO3陶瓷靶材制备工艺：La2O3和NiO(纯度为99.99％)以摩尔比1∶1配比，球磨24h使其混合均匀后在850℃煅烧3h得到LaNiO3粉体，掺胶压成靶材，560℃下保温9h排胶，然后在1050℃氧气氛中烧结4h制备成陶瓷靶材。
BiFeO3陶瓷靶材制备工艺：Bi2O3(99.9％)∶Fe2O3(99.9％)＝1.1∶1的配料比，球磨24h使其混合均匀后在750℃下煅烧4h得到BiFeO3粉体，用0.5mol/l的稀HNO3洗滤，得到相对纯相的BiFeO3粉体；再在此粉体基础上加入10％的Bi2O3粉，混合均匀后掺胶压成靶材，560℃下保温9h排胶，在830℃烧结1h得到BiFeO3陶瓷靶材。
如图4所示，BiFeO3薄膜的电滞回线，薄膜表现出明显的铁电性质。其剩余极化强度为25μC/cm2，矫顽场为26KV/cm。
如图5所示，BiFeO3薄膜的磁滞回线，薄膜表现出弱的铁磁性质，其饱和磁化强度为21.3emu/cm3。

Claims (3)

1.一种在Si衬底上制备高取向BiFeO3薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)Si(100)衬底的预处理：将衬底依次用甲苯、丙酮、乙醇在超声清洗器中充分清洗后，再用去离子水冲洗，并浸泡在乙醇中备用；
b)利用脉冲激光沉积方法，采用LaNiO3靶材，在上述衬底上，在激光能量400毫焦/脉冲，衬底温度650-750℃，沉积氧压5-8Pa，靶基距50mm，脉冲激光频率3-5Hz的条件下，沉积时间20min，原位退火20min，得到400nm厚的高结晶度高取向的LaNiO3薄膜；
c)利用脉冲激光沉积方法，采用BiFeO3靶材，在LaNiO3薄膜上，在激光能量350毫焦/脉冲，衬底温度600-700℃，沉积氧压0.1-2Pa，靶基距50mm，脉冲激光频率5-7Hz的条件下，沉积时间30min，300Pa氧压下原位退火20min，得到400nm厚的高结晶度高取向的BiFeO3薄膜。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述LaNiO3靶材采用如下方法制备：La2O3和NiO以摩尔比1∶1配比，球磨24h使其混合均匀后在850℃煅烧3h得到LaNiO3粉体，掺胶压成靶材，560℃下保温9h排胶，然后在1050℃氧气氛中烧结4h制备成陶瓷靶材。
3.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述BiFeO3靶材采用如下方法制备：按照Bi2O3∶Fe2O3摩尔比＝1.1∶1的配料比，球磨24h使其混合均匀后在750℃下煅烧4h得到BiFeO3粉体，用0.5mol/l的稀HNO3洗滤，得到纯相的BiFeO3粉体；再在此粉体基础上加入10％的Bi2O3粉，混合均匀后掺胶压成靶材，560℃下保温9h排胶，在830℃烧结1h得到BiFeO3陶瓷靶材。
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