CN114592237A - 一种外延薄膜的制备方法 - Google Patents

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王峰
张永兴
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Abstract

本发明公开了一种外延薄膜的制备方法，将微结构及物理性能的调控由平面转向垂直，制备垂直构型外延薄膜。其中，公开了以La0.7Ba0.3MnO（LBMO）为母体，以ZnO做为第二相，利用脉冲激光沉积在单晶基片上制备垂直构型外延薄膜。本发明给出一种新型结构的外延薄膜，并公开了该新型外延薄膜的制备方法，将微结构及物理性能的调控由平面转向垂直，为基础物理的研究和材料应用开辟了新的途径。

Description

一种外延薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种外延薄膜的制备方法，属于新材料技术领域。
背景技术
强关联体系过渡金属氧化物(MTOs)由于其具备一系列有趣的物理现象，诸如铁电性、庞磁电阻、高温超导、多铁性、金属绝缘体转变等，使其在基础研究和新型器件开发方面具有重要价值，成为近几十年凝聚态领域研究的热点之一。当前研究主要涉及单相外延或多晶薄膜以及多层复合薄膜中物理性质的调控和物理机理探索，这些研究具备一个共同特点，制备的薄膜均属于平面构型。平面构型的制备相对简单且易于控制薄膜的成分以及相对尺寸，但也有固有缺点。众所周知，衬底引起的应变对薄膜的物理性质有着重要的影响。但是，随着薄膜厚度的增加应变迅速被弛豫，这一厚度一般在几十纳米左右，这使得应变对薄膜物理性质的调控受到限制，极大阻碍了材料的器件化应用。因此，开发具有新型结构的外延薄膜，探究其形成的微观机理，揭示界面态对物理性能的影响，成为亟待解决的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明研究并提供一种外延薄膜的制备方法，为基础物理的研究和材料应用开辟了新的途径。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种外延薄膜的制备方法，将微结构及物理性能的调控由平面转向垂直，制备垂直构型外延薄膜。
进一步的，以La0.7Ba0.3MnO（LBMO）为母体，以ZnO做为第二相，利用脉冲激光沉积在单晶基片上制备垂直构型外延薄膜。
进一步的，所述外延薄膜的制备方法，步骤如下：
步骤一、制备LBMO：ZnO混合靶材；
步骤二、将LBMO：ZnO混合靶材制备外延薄膜。
更进一步的，所述步骤一中，制备LBMO：ZnO混合靶材是指：.
步骤1、固相反应法制备LBMO粉末；
步骤2、取ZnO试剂，与步骤1中制备的LBMO粉末按照摩尔比混合，经充分研磨，压制成圆片；
步骤3、而后烧结，制得所需靶材。
更进一步的，所述步骤2中，压力设定20 MPa，圆片尺寸为直径1英寸，厚度5 mm。
更进一步的，所述步骤3中，烧结温度1100 ℃，烧结时间12小时。
更进一步的，所述将LBMO：ZnO混合靶材制备外延薄膜是指：
步骤（1）、取单晶基片，对其进行预处理；
步骤（2）、将LBMO：ZnO混合靶材和经过预处理的基片置入真空室内，调整参数，使其外延生长。
更进一步的，所述单晶基片为以（001）取向的SrTiO3单晶基片。
更进一步的，所述基片的预处理是指：将基片用稀释的氢氟酸做浸泡处理，而后用去离子水和丙酮清洗基片，吹干后备用。
更进一步的，所述调整参数是指：真空室内真空抽至1.0×10-4 Pa，而后通入少量氧气，同时将基片加热至设定温度，开启激光器，调整激光能量和频率。
本发明的有益技术效果是：给出一种新型结构的外延薄膜，并公开了该新型外延薄膜的制备方法，将微结构及物理性能的调控由平面转向垂直，为基础物理的研究和材料应用开辟了新的途径。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明LBMO：ZnO复合靶材的XRD图谱；
图2是本发明LBMO：ZnO外延薄膜的SEM图片；
图3是本发明复合薄膜的XRD图谱；
图4是本发明球差电镜图片，其中（a）复合薄膜球差电镜图片；（b）Zn元素分布；（c）球差电镜原子相。。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例公开了一种新型的外延薄膜制备方法，将微结构及物理性能的调控由平面转向垂直，为基础物理的研究和材料应用开辟了新的途径。在本例中，我们以La0.7Ba0.3MnO（LBMO）为母体，选择ZnO做为第二相，利用脉冲激光沉积（PLD）技术在单晶基片上制备了垂直构型外延薄膜。
该外延薄膜的制备步骤如下：
步骤一、LBMO：ZnO混合靶材的制备。
LBMO粉末采用传统固相反应法制备，所需ZnO试剂从国药化学试剂有限公司直接购买。两相按照所需摩尔比例混合，经充分研磨，在20 MPa压力下制成直径1英寸，厚度5 mm左右的圆片，而后在1100 ℃烧结12小时，制得所需靶材。
图1所示为LBMO：ZnO复合靶材的XRD图谱，其中(a)图ZnO含量为0，（b）图ZnO含量为30%。
从图中明显可以看出ZnO相的存在，这些结果表明，Zn原子并未进入LBMO晶格，而是保持了两相共存，这是后续复合薄膜制备的前提。我们尝试了烧结温度对靶材的影响。结果表明，温度过低所得靶材致密度太低，靶材难以成型；温度过高，Zn原子扩散进入LBMO晶格，失去两相共存特征。
步骤二 LBMO：ZnO外延薄膜的制备。
本发明所公开外延薄膜在单晶基片上制备，基片可以是LaAlO3，GdScO3，DyScO3，PMN-PT、SrTiO3等的其中一种。
本例中采用（001）取向的SrTiO3单晶基片，基片的预处理过程如下：将基片用稀释的氢氟酸做浸泡处理，处理时间为30 S，而后用去离子水和丙酮清洗基片，吹干后备用。
将上述制备的靶材和经过预处理的基片置入PLD真空室，开启真空泵，将真空室真空抽至1.0×10-4Pa，而后通入少量氧气，同时将基片加热至所需温度，而后开启激光器，调整激光能量和频率，开始外延生长。当基片温度为780～860 ℃，制备氧压为30～40 Pa时，所得薄膜的质量高，其余条件不能形成垂直构型外延薄膜或者所得薄膜质量较差。
图2所示为制备的外延薄膜的扫描电镜（SEM）图片，图中白色部分为ZnO，其直径约为几十纳米，呈现柱状结构并嵌入LBMO中，是一种垂直构型的复合外延薄膜。
图3所示为该外延薄膜的x射线衍射（XRD）图谱，从图中可以明显看出ZnO的衍射峰，实现了LBMO和ZnO的共同外延生长。该薄膜的特殊之处在于ZnO的取向，ZnO在晶体结构上属于六方晶系，通常在SrTiO3基片上呈现两种取向，即极化取向[ZnO（001）晶面平行于基片表面]以及非极化取向[ZnO（110）晶面平行于基片表面]，而在我们制备的薄膜中，出现了第三种取向，我们称之为半极化取向。为了更好的观察薄膜的微观结构，我们做了球差电镜，如图4所示。从图中可以明显看出，ZnO垂直嵌入LBMO，显示了该结构的独特之处。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种外延薄膜的制备方法，其特征在于：将微结构及物理性能的调控由平面转向垂直，制备垂直构型外延薄膜。
2.根据权利要求1所述的外延薄膜的制备方法，其特征在于：以La0.7Ba0.3MnO为母体，以ZnO为第二相，利用脉冲激光沉积在单晶基片上制备垂直构型外延薄膜。
3.根据权利要求1所述的外延薄膜的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、制备LBMO：ZnO混合靶材；
步骤二、将LBMO：ZnO混合靶材制备外延薄膜。
4.根据权利要求3所述的外延薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，制备LBMO：ZnO混合靶材是指：
步骤1、固相反应法制备LBMO粉末；
步骤2、取ZnO试剂，与步骤1中制备的LBMO粉末按照摩尔比混合，经充分研磨，压制成圆片；
步骤3、而后烧结，制得所需靶材。
5.根据权利要求4所述的外延薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，压力设定20MPa，圆片尺寸为直径1英寸，厚度5 mm。
6.根据权利要求4所述的外延薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，烧结温度1100 ℃，烧结时间12小时。
7.根据权利要求3所述的外延薄膜的制备方法，其特征在于：所述将LBMO：ZnO混合靶材制备外延薄膜是指：
步骤（1）、取单晶基片，对其进行预处理；
步骤（2）、将LBMO：ZnO混合靶材和经过预处理的基片置入真空室内，调整参数，使其外延生长。
8.根据权利要求7所述的外延薄膜的制备方法，其特征在于：所述单晶基片为以（001）取向的SrTiO3单晶基片。
9.根据权利要求7所述的外延薄膜的制备方法，其特征在于：所述基片的预处理是指：将基片用稀释的氢氟酸做浸泡处理，而后用去离子水和丙酮清洗基片，吹干后备用。
10.根据权利要求7所述的外延薄膜的制备方法，其特征在于：所述调整参数是指：真空室内真空抽至1.0×10-4Pa，而后通入少量氧气，同时将基片加热至设定温度，开启激光器，调整激光能量和频率。
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