一种柔性氧化铪基铁电电容器的制备方法

本发明涉及铁电电容器，具体涉及一种柔性铁电电容器的制备方法。

背景技术：

1、近年来，人工智能、云计算和5g/6g通信等技术的快速发展表明人类即将进入万物互联时代。自后摩尔时代以来，以深度学习为核心的人工智能对硬件计算能力的需求呈指数级增长，基于冯·诺依曼架构的传统计算硬件在处理日益庞大和复杂的数据集时，面临着高功耗挑战以及存算失配的问题。与此同时，人工神经网络的兴起推动了生物启发记忆器件(如人工突触)的发展，为克服后摩尔时代的局限性提供了新的机遇。

2、早在2009年已经有研究人员提出有关生物启发记忆器件的概念不一定要局限于电阻器，可以扩展到电容器和电感器。尤其是电容器，基于电容原理，器件中的信息以电荷而不是电流的形式传输具有更低的静态功耗。自2011年德国科学家发现硅掺杂二氧化铪中的铁电性以来，铪基铁电器件因其与cmos技术的高度兼容性、低能耗和长期数据保留而受到广泛研究。此外，与传统硅技术相比，可穿戴电子设备和电子皮肤等柔性电子器件因其卓越的便携性和人性化界面等优点而备受关注。云母相较于其他柔性基底具有表面光滑，热稳定性高，耐高温，良好的化学惰性以及良好的机械柔韧性等优势，因此，我们选择云母基底制备柔性氧化铪基铁电电容器，同时具有优越的铁电性和高柔韧性。

技术实现思路

1、本发明是针对生长柔性氧化铪基铁电电容器的基底材料和制备技术，提供一种低温制备、工艺简单且环保、薄膜致密且性能良好的柔性氧化铪基铁电电容器的制备方法。

2、本发明提供的一种柔性氧化铪基铁电电容器的制备方法，包括以下步骤：

3、(1)在柔性云母基片上采用电子束蒸发制备pt或w底电极；

4、(2)采用原子层沉积法在上述pt或w底电极上低温沉积，得到锆掺杂的氧化铪铁电薄膜；

5、(3)将步骤(2)得到的铪锆氧铁电薄膜采用电子束蒸发制备金属w作为顶电极；

6、(4)将步骤(2)得到的薄膜置于充满惰性保护气氛的退火炉中进行快速退火热处理，等待退火炉冷却到室温后拿出样品，得到目标柔性氧化铪基铁电电容器。

7、进一步地，所述的铪源为四(二甲胺基)铪(tdmahf)，锆源为四(二甲胺基)锆(tdmazr)，水(h2o)作为氧源。

8、进一步地，步骤(1)中，所述的pt或w厚度为20～50纳米，最优选为20纳米。

9、进一步地，步骤(1)中，所述的柔性云母基片为氟晶云母，制备方法为：选用光滑无裂纹的氟晶云母片进行机械剥离得到厚度在30～50微米的云母片。

10、进一步地，步骤(2)中，原子层沉积制备铪锆氧铁电薄膜是采用超晶格循环沉积，即一个循环为连续沉积两次四(二甲胺基)铪，水，接着连续沉积两次四(二甲胺基)锆，水，沉积循环总数分别为25、30、35，最优选为30循环(厚度约为10纳米)

11、进一步地，步骤(2)中，金属源和水源的吹扫时间分别为40秒和60秒，足够的吹扫时间保证了沉积过程中反应副产物的去除。

12、进一步地，步骤(3)中，所述电极为w电极，厚度为20纳米。

13、进一步地，步骤(4)中，所述惰性保护气氛为氮气，退火具体工艺为：从室温以3℃/s的升温速率加热到550℃，保温2分钟之后冷却到室温即可取出，此过程中顶底电极对铪锆氧薄膜的夹持应力促使铁电相的出现。

14、上述制备好的柔性氧化铪基铁电电容器的结构为mfm，对其进行电学性能的测试。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

16、(1)本发明采用超低温原子层沉积(100℃)制备的铪锆氧铁电薄膜有利于未来高度集成。

17、(2)本发明制备的铪锆氧铁电薄膜致密且具有较高的剩余极化。

18、(3)本发明对云母基片进行了减薄处理，保证薄膜在弯曲的情况下不会开裂，使制备的铁电薄膜在弯曲情况下仍具有良好的铁电性能。

19、(4)本发明制备过程简单，云母基片上无需添加额外的缓冲层和种子层，直接沉积金属电极，简化了制备工艺。

20、下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

技术特征：

1.一种柔性氧化铪基铁电电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种柔性氧化铪基铁电电容器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述柔性云母基片为氟晶云母，制备方法为：将光滑无裂纹的氟晶云母片使用双面胶固定在操作台上，由于云母属于层状结构，因此使用尖头镊子可以将云母片逐层撕起，直到得到厚度在30～50微米的云母片即可。

3.根据权利要求1所述的一种柔性氧化铪基铁电电容器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，电子束蒸发制备铂或钨电极的具体步骤包括：在柔性云母片上制备一层20～50纳米的金属铂或钨作为底电极。

4.根据权利要求1所述的一种柔性氧化铪基铁电电容器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，原子层沉积低温制备铪锆氧铁电薄膜的具体步骤包括：在正式沉积之前需要进行预沉积，得到比较稳定的出源脉冲，随后将样品放入腔室，沉积温度为100℃，改变铪源和锆源的出源时间即可改变铪和锆的掺杂比例，改变沉积循环总数即可改变铪锆氧薄膜厚度。

5.根据权利要求1所述的一种柔性氧化铪基铁电电容器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，电子束蒸发制备钨电极的具体步骤包括：在铪锆氧薄膜上利用掩膜板制备一层20纳米的金属钨作为顶电极。

6.根据权利要求1所述的一种柔性氧化铪基铁电电容器的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述惰性保护气氛为氮气，铪锆氧铁电薄膜快速热退火的具体工艺为：从室温以3℃/s的升温速率加热到550℃，保温2分钟之后冷却到室温即可取出。

技术总结
本发明涉及铁电电容器领域，公开了一种柔性氧化铪基铁电电容器的制备方法。其包括以下步骤：首先，在柔性云母片上采用电子束蒸发制备铂或钨底电极；接着采用原子层沉积法在铂或钨底电极上低温沉积锆掺杂的氧化铪铁电薄膜；最后采用电子束蒸发制备钨作为顶电极；对薄膜进行快速热退火处理后得到三明治结构的目标柔性氧化铪基铁电电容器。本发明制备的柔性铁电电容器无需额外的功能层，简化了制备工艺，并显著提高了铪基铁电薄膜的剩余极化强度，器件在弯曲前后的铁电性能对比表明其具有优异的机械柔韧性。

技术研发人员：肖永光,张玉洁,燕少安,朱颖方,唐明华
受保护的技术使用者：湘潭大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/26