一种铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜材料及制备方法与流程

本发明属于功能材料和微电子器件领域，具体提供一种铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜材料及制备方法。

背景技术：

铁电薄膜材料是一类具有自发极化，且自发极化能够随着外电场所转向的功能薄膜材料。锆钛酸铅(pb(zr,ti)o3,pzt)铁电薄膜具有优良的介电、压电、热电和铁电性能，在铁电存储器，薄膜电容器和微机电系统等领域具有非常广泛的应用。尤其是当pb:zr:ti=1:0.52:0.48时，pzt处于四方相和菱方相共存的准同型相界，电场很容易使极化翻转，薄膜的性能尤为突出，表现为剩余极化强度高，相变温度较低，介电常数较高。

用于铁电存储器的pzt块体材料和pzt薄膜材料的性能比较，薄膜材料的相应性能不如块体材料的性能，这主要是因为薄膜生长的衬底具有铁电薄膜-电极-基片的界面效应和薄膜尺寸效应，它们都会对pzt薄膜性能造成影响。在铁电薄膜的上、下两个界面处均存在着一定大小的界面势垒。通过调控铁电极化的大小和方向，可以有效地改变界面势垒，从而实现电流的导通与阻碍、电子-空穴的有效分离等。所以，铁电剩余极化强度的大小直接影响着上述各类新型功能器件的性能。

目前制备铁电薄膜的方法包括磁控溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积、化学液相沉积等，铁电薄膜在金属铂基板上沉积形成多晶薄膜，相较于单晶外延的铁电薄膜，具有晶粒排列杂乱，晶界处易富集杂相，产生应力集中等缺陷的影响，不可避免地会造成铁电畴反转困难、被缺陷电荷钉扎等问题，使薄膜的极化强度降低，铁电性能降低。因此，有必要开发一种提高多晶铁电薄膜极化强度的有效方法。

技术实现要素：

发明目的

本发明针对多晶铁电薄膜铁电剩余极化强度比较小的问题，提供了一种新型铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜及制备方法，贵金属铂纳米颗粒的晶格常数、热膨胀系数与pzt比较匹配，将铂纳米颗粒与pzt复合，可以有效地提高多晶铁电薄膜的极化强度。该方法简单易行，利于实际应用。该薄膜材料在存储器、微波电子组件、热释电和压电微传感器等微器件领域具有广阔的应用前景。。

技术方案

一种铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜材料，其特征在于：所述薄膜材料的成分组成满足下述要求：pt:pb(zr,ti)o3的摩尔比为（0.006-0.02）:1。

所述薄膜材料的铁电剩余极化强度为37-47μc/cm²。

所述纳米复合铁电薄膜的成分组成为pt:pb(zr,ti)o3的摩尔比最佳比例为0.012:1。

所述薄膜材料中pb(zr,ti)o3内pb:zr:ti的摩尔比为1：（0.52-0.60）：（0.48-0.40）。

所述薄膜材料的厚度在200-300nm。

一种如所述的铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、以水、醋酸和异丙醇按照体积比（2-3）:（4-5）:（9-10）混合作为溶剂，氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛为溶质，按照pt:pb(zr,ti)o3的摩尔比为（0.006-0.02）:1，称取氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛，加入水、醋酸和异丙醇混合后的溶液，然后在室温下进行搅拌，搅拌至氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛全部溶解为止，得到浅黄色透明溶液；

(2)、选用从上到下依次为pt、ti、sio2和si的pt/ti/sio2/si基片，pt的厚度为149-151nm，ti的厚度为49-51nm，sio2的厚度为149-151nm，si的厚度为499-501nm，基片总厚度为846-854nm，把pt/ti/sio2/si基片放在旋凃仪上，将步骤（1）配置好的溶液滴2-3滴到pt/ti/sio2/si基片上旋涂，转速为3000-3200转/分，时间为30-40秒，得到原料膜；

(3)、将原料膜在115-125℃条件下干燥10-15分钟，300-350℃热分解有机物10-15分钟，升温到600-700℃退火30-60分钟后空冷；

(4)、重复（2）-（3）步骤过程3-5次，制得铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜。

步骤（1）配置的浅黄色透明溶液浓度为0.4mol/l。

一种使用所述的铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜材料制作电容器的方法，其特征在于：将金电极真空溅射在铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜表面上，形成金/铂-锆钛酸铅/铂电容器结构。

所述薄膜材料表面真空溅射的电极为金，厚度为48-50nm。

本发明的有益效果：

本发明所述实现最佳铁电性能的铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜的成分组成为pt:pb(zr,ti)o3的摩尔比为0.012:1。此时，铁电剩余极化强度比纯的锆钛酸铅铁电薄膜提高了42.4%左右，达到47μc/cm²。而且采用化学溶液沉积法制备铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜，具有工艺简单、成本低廉、组分均匀、可大面积均匀成膜和与硅基半导体工业相兼容等优势。

附图说明

图1为本发明的铂-锆钛酸铅铁电复合薄膜的结构示意图；

图2为当锆钛酸铅中锆与钛的比为52:48时，本发明制得的不同铂含量的铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜的电滞回线图；

图3为当锆钛酸铅中锆与钛的比为52:48时，本发明制得的铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜的铁电剩余极化强度随铂含量的变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

铂-锆钛酸铅铁电复合薄膜的结构如图1的示意图所示。薄膜材料的基片为商用pt/ti/sio2/si。

实施例1

pt:pb(zrti)o3的摩尔比为0.006:1的情况下。

铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)、以水、醋酸和异丙醇按照体积比2:4:9混合作为溶剂，氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛为溶质，按照pt:pb(zr0.52ti0.48)o3的摩尔比为0.006:1，称取氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛，加入水、醋酸和异丙醇混合后的溶液，然后在室温下进行搅拌，搅拌至氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛全部溶解为止，得到浅黄色透明溶液，浅黄色透明溶液浓度为0.4mol/l；

(2)、选用从上到下依次为pt、ti、sio2和si的pt/ti/sio2/si基片，pt的厚度为150nm，ti的厚度为50nm，sio2的厚度为150nm，si的厚度为500nm，基片总厚度为850nm，把pt/ti/sio2/si基片放在旋凃仪上，将步骤（1）配置好的溶液用滴管滴2滴到pt/ti/sio2/si基片上旋涂，转速为3000转/分，时间为40秒，得到原料膜；

(3)、将原料膜在115℃条件下干燥15分钟，300℃热分解有机物15分钟，升温到600℃退火60分钟后空冷；

(4)、重复（2）-（3）步骤过程3次，制得铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜。

如图2所示，所得铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜的剩余极化为38.7μc/cm²，与纯的锆钛酸铅铁电薄膜相比，铁电剩余极化提高了17.3%。薄膜材料的厚度在200nm。

将金电极真空溅射在铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜表面上，厚度为50nm，金电极的面积为0.1963mm²，即可形成金/铂-锆钛酸铅/铂电容器结构。

实施例2

pt:pb(zrti)o3的摩尔比为0.009:1的情况下。

铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)、以水、醋酸和异丙醇按照体积比3:5:10混合作为溶剂，氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛为溶质，按照pt:pb(zr0.52ti0.48)o3的摩尔比为0.009:1，称取氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛，加入水、醋酸和异丙醇混合后的溶液，然后在室温下进行搅拌，搅拌至氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛全部溶解为止，得到浅黄色透明溶液，浅黄色透明溶液浓度为0.4mol/l；

(2)、选用从上到下依次为pt、ti、sio2和si的pt/ti/sio2/si基片，pt的厚度为149nm，ti的厚度为49nm，sio2的厚度为149nm，si的厚度为499nm，基片总厚度为846nm，把pt/ti/sio2/si基片放在旋凃仪上，将步骤（1）配置好的溶液用滴管滴3滴到pt/ti/sio2/si基片上旋涂，转速为3200转/分，时间为30秒，得到原料膜；

(3)、将原料膜在125℃条件下干燥10分钟，350℃热分解有机物10分钟，升温到700℃退火30分钟后空冷；

(4)、重复（2）-（3）步骤过程4次，制得铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜。

如图2所示，所得铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜的剩余极化为44.4μc/cm²，与纯的锆钛酸铅铁电薄膜相比，铁电剩余极化提高了34.5%。薄膜材料的厚度在250nm。

将金电极真空溅射在铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜表面上，厚度为48nm，金电极的面积为0.1963mm²，即可形成金/铂-锆钛酸铅/铂电容器结构。

实施例3

pt:pb(zrti)o3的摩尔比为0.012:1的情况下。

铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)、以水、醋酸和异丙醇按照体积比2.5:4.5:9.5混合作为溶剂，氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛为溶质，按照pt:pb(zr0.52ti0.48)o3的摩尔比为0.012:1，称取氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛，加入水、醋酸和异丙醇混合后的溶液，然后在室温下进行搅拌，搅拌至氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛全部溶解为止，得到浅黄色透明溶液，浅黄色透明溶液浓度为0.4mol/l；

(2)、选用从上到下依次为pt、ti、sio2和si的pt/ti/sio2/si基片，pt的厚度为150nm，ti的厚度为50nm，sio2的厚度为150nm，si的厚度为500nm，基片总厚度为850nm，把pt/ti/sio2/si基片放在旋凃仪上，将步骤（1）配置好的溶液用滴管滴2滴到pt/ti/sio2/si基片上旋涂，转速为3000转/分，时间为30秒，得到原料膜；

(3)、将原料膜在120℃条件下干燥12分钟，330℃热分解有机物12分钟，升温到650℃退火45分钟后空冷；

(4)、重复（2）-（3）步骤过程5次，制得铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜。

如图2所示，所得铂-锆钛酸铅铁电纳米复合铁电薄膜的剩余极化为47μc/cm²，与纯的锆钛酸铅铁电薄膜相比，铁电剩余极化提高了42.4%。薄膜材料的厚度在300nm。

将金电极真空溅射在铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜表面上，厚度为50nm，金电极的面积为0.1963mm²，即可形成金/铂-锆钛酸铅/铂电容器结构。

实施例4

pt:pb(zrti)o3的摩尔比为0.015:1的情况下。

铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)、以水、醋酸和异丙醇按照体积比2.8:4.8:9.8混合作为溶剂，氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛为溶质，按照pt:pb(zr0.52ti0.48)o3的摩尔比为0.015:1，称取氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛，加入水、醋酸和异丙醇混合后的溶液，然后在室温下进行搅拌，搅拌至氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛全部溶解为止，得到浅黄色透明溶液，浅黄色透明溶液浓度为0.4mol/l；

(2)、选用从上到下依次为pt、ti、sio2和si的pt/ti/sio2/si基片，pt的厚度为150nm，ti的厚度为50nm，sio2的厚度为150nm，si的厚度为500nm，基片总厚度为850nm，把pt/ti/sio2/si基片放在旋凃仪上，将步骤（1）配置好的溶液用滴管滴2滴到pt/ti/sio2/si基片上旋涂，转速为3100转/分，时间为32秒，得到原料膜；

(3)、将原料膜在122℃条件下干燥11分钟，340℃热分解有机物11分钟，升温到680℃退火40分钟后空冷；

(4)、重复（2）-（3）步骤过程5次，制得铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜。

如图2所示，所得铂-锆钛酸铅铁电纳米复合铁电薄膜的剩余极化为40.3μc/cm²，与纯的锆钛酸铅铁电薄膜相比，铁电剩余极化提高了22.1%。薄膜材料的厚度在300nm。

将金电极真空溅射在铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜表面上，厚度为50nm，金电极的面积为0.1963mm²，即可形成金/铂-锆钛酸铅/铂电容器结构。

实施例5

pt:pb(zrti)o3的摩尔比为0.02:1的情况下。

铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)、以水、醋酸和异丙醇按照体积比2.2:4.2:9.2混合作为溶剂，氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛为溶质，按照pt:pb(zr0.52ti0.48)o3的摩尔比为0.02:1，称取氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛，加入水、醋酸和异丙醇混合后的溶液，然后在室温下进行搅拌，搅拌至氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛全部溶解为止，得到浅黄色透明溶液，浅黄色透明溶液浓度为0.4mol/l；

(2)、选用从上到下依次为pt、ti、sio2和si的pt/ti/sio2/si基片，pt的厚度为151nm，ti的厚度为51nm，sio2的厚度为151nm，si的厚度为501nm，基片总厚度为854nm，把pt/ti/sio2/si基片放在旋凃仪上，将步骤（1）配置好的溶液用滴管滴3滴到pt/ti/sio2/si基片上旋涂，转速为3200转/分，时间为38秒，得到原料膜；

(3)、将原料膜在118℃条件下干燥14分钟，320℃热分解有机物14分钟，升温到620℃退火50分钟后空冷；

(4)、重复（2）-（3）步骤过程5次，制得铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜。

如图2所示，所得铂-锆钛酸铅铁电纳米复合铁电薄膜的剩余极化为37μc/cm²，与纯的锆钛酸铅铁电薄膜相比，铁电剩余极化提高了12%。薄膜材料的厚度在300nm。

将金电极真空溅射在铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜表面上，厚度为48nm，金电极的面积为0.1963mm²，即可形成金/铂-锆钛酸铅/铂电容器结构。

实施例6

pt:pb(zrti)o3的摩尔比为0.02:1，zr:ti的摩尔比为0.60：0.40的情况下。

铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)、以水、醋酸和异丙醇按照体积比2.2:4.2:9.2混合作为溶剂，氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛为溶质，按照pt:pb(zr0.6ti0.4)o3的摩尔比为0.02:1，称取氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛，加入水、醋酸和异丙醇混合后的溶液，然后在室温下进行搅拌，搅拌至氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛全部溶解为止，得到浅黄色透明溶液，浅黄色透明溶液浓度为0.4mol/l；

(2)、选用从上到下依次为pt、ti、sio2和si的pt/ti/sio2/si基片，pt的厚度为151nm，ti的厚度为51nm，sio2的厚度为151nm，si的厚度为501nm，基片总厚度为854nm，把pt/ti/sio2/si基片放在旋凃仪上，将步骤（1）配置好的溶液用滴管滴3滴到pt/ti/sio2/si基片上旋涂，转速为3000转/分，时间为30秒，得到原料膜；

(3)、将原料膜在118℃条件下干燥14分钟，320℃热分解有机物14分钟，升温到620℃退火50分钟后空冷；

(4)、重复（2）-（3）步骤过程5次，制得铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜。

所得铂-锆钛酸铅铁电纳米复合铁电薄膜的剩余极化为37.3μc/cm²，与纯的锆钛酸铅铁电薄膜相比，铁电剩余极化提高了13%。薄膜材料的厚度在300nm。

将金电极真空溅射在铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜表面上，厚度为50nm，金电极的面积为0.1963mm²，即可形成金/铂-锆钛酸铅/铂电容器结构。

对比例1

pt:pb(zrti)o3的摩尔比为0:1，zr:ti的摩尔比为0.52：0.48的情况下。

(1)、以水、醋酸和异丙醇按照体积比2.5:4.5:9.5混合作为溶剂，氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛为溶质，按照pt:pb(zr0.52ti0.48)o3的摩尔比为0:1，称取氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛，加入水、醋酸和异丙醇混合后的溶液，然后在室温下进行搅拌，搅拌至氯铂酸、乙酸铅、正丙醇锆和异丙醇钛全部溶解为止，得到浅黄色透明溶液，浅黄色透明溶液浓度为0.4mol/l；

(2)、选用从上到下依次为pt、ti、sio2和si的pt/ti/sio2/si基片，pt的厚度为145nm，ti的厚度为45nm，sio2的厚度为145nm，si的厚度为495nm，基片总厚度为830nm，把pt/ti/sio2/si基片放在旋凃仪上，将步骤（1）配置好的溶液用滴管滴2滴到pt/ti/sio2/si基片上旋涂，转速为3000转/分，时间为40秒，得到原料膜；

(3)、将原料膜在120℃条件下干燥12分钟，330℃热分解有机物12分钟，升温到650℃退火45分钟后空冷；

(4)、重复（2）-（3）步骤过程3次，制得铂-锆钛酸铅纳米复合铁电薄膜。

如图2所示，所得铂-锆钛酸铅铁电纳米复合铁电薄膜的剩余极化为33μc/cm²。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。