[发明专利]一种锰稳定氧化锆薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锰稳定氧化锆薄膜的制备方法，具体涉及一种在氧化物半导体装置中的栅介质、磁性薄膜、高温超导涂层导体等领域中具有广泛应用潜力的锰稳定氧化锆Zr_0.75Mn_0.25O₂薄膜的制备方法。

背景技术

氧化锆(ZrO₂)材料在氧探测器、高温燃料电池、催化技术和光导装置中有着广泛的应用潜力。氧化锆(ZrO₂)也是一种高温结构陶瓷材料，熔点高达2973K。在大气环境下，氧化锆存在三种同质异形体，即单斜晶系(m-ZrO₂)、四方晶系(t-ZrO₂)和立方晶系(c-ZrO₂)。纯的ZrO₂在烧结后的冷却过程中会发生四方相到单斜相的马氏体相变，同时伴随有体积变化，导致制备的材料开裂，限制了氧化锆材料在工程上的应用。

开发氧化锆(ZrO₂)薄膜材料对于氧化物半导体装置中的栅介质、磁性薄膜、高温超导涂层导体等领域具有重要意义。针对半导体中的栅极材料应用，理论计算表明，四方相的介电常数可以高达47，因此稳定高温四方相成为氧化锆材料研究的重要方向，而制备出四方相单一取向薄膜甚至单晶薄膜就成为半导体中新型栅极材料研究的热点。通常情况下，纯的氧化锆(ZrO₂)薄膜不易呈现单一的四方相，少量单斜相会伴生在氧化锆薄膜中，而且在衬底/薄膜的界面处会出现第二相氧化物。在过渡金属氧化物中引入磁性元素可以获得铁磁性半导体，这种材料将极大地影响未来的信息技术。这些铁磁性半导体材料的应用首先依赖于它们薄膜的性质，然而磁性元素掺杂的氧化锆薄膜的研究鲜有报道。在高温超导涂层导体中，处在金属基带与超导层之间的缓冲层的关键作用是化学阻隔和织构传递。结构稳定和结构匹配是选择缓冲层的重要依据。在稳定氧化锆(铪)材料中，仅有钇稳定的氧化锆(YSZ)薄膜被应用在涂层导体缓冲层中，然而利用磁控溅射沉积的YSZ不能应用在缓冲层的种子层中，因为随着YSZ薄膜厚度的增加，YSZ薄膜容易发生开裂。因此，探索新型缓冲层材料及其制备技术也是目前高温超导涂层导体领域的努力方向之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提出一种锰稳定氧化锆薄膜的制备方法，稳定体材氧化锆所采用的稳定剂是MnO₂，制备锰稳定氧化锆薄膜所采用的方法是脉冲激光沉积法。本方法可以克服现有技术在制备氧化锆薄膜时存在的单斜相与高温相混存、衬底/薄膜界面处易出现第二相氧化物的问题，而且制备工艺简单及重复性好，该方法制备的锰稳定氧化锆薄膜与单晶衬底之间具有原子级的锐利界面。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种锰稳定氧化锆薄膜的制备方法，其特征在于制备过程为：

(1)按照Zr_0.75Mn_0.25O₂中Zr∶Mn的摩尔比为3∶1称取金属氧化物ZrO₂粉末和MnO₂粉末，混合研磨后在1400℃温度下恒温处理12-24小时后取出；

(2)再仔细研磨，混合充分，在压片机上用硬质钢模具将混合粉末压制成圆片；

(3)将步骤(2)中的圆片放在刚玉坩埚里，在硅碳管发热体管式高温炉内烧结，在氩气气氛中于1400℃温度下烧结12-24小时，然后随炉冷却至室温，得到相应的稳定氧化锆样品；

(4)对步骤(3)中的稳定氧化锆样品表面进行打磨制备成靶材；

(5)将沉积室预抽真空，以清洗后的YSZ单晶基片作为衬底，在氩气气氛中、压力为5-10Pa的沉积气压和800-900℃衬底温度下，用能量为550mJ和频率为5-10Hz的脉冲激光剥蚀步骤(4)中所述靶材15-30分钟以获得薄膜，并在一个大气压氩气中将所述薄膜冷却至室温，即制得锰稳定氧化锆薄膜，其中，所述YSZ是指钇稳定的氧化锆。

上述步骤(2)中所述压片机的压力为10Mpa。

上述步骤(5)中所述沉积室的真空度为2×10^-4Pa。

本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明在较高衬底温度和氩气气氛条件下制备，有利于消除衬底/薄膜界面非晶态层和第二相氧化物的形成，制备出的锰稳定氧化锆薄膜具有良好c轴织构而且平整的表面；本发明可实现在较宽衬底温度范围内快速制备锰稳定氧化锆薄膜。