[发明专利]一种钛酸钡-钌酸锶纳米复合薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种钛酸钡‑钌酸锶纳米复合薄膜材料及其制备方法，所述材料组成的体积比为SrRuO₃:2～9％，BaTiO₃:91～98％，该材料微结构的特点是SrRuO₃纳米粒子均匀地分布在BaTiO₃基体上。本发明的钛酸钡‑钌酸锶纳米复合薄膜材料的优点为：介电常数与纯钛酸钡薄膜相比增加了10～24％；并且具有良好的铁电极化性能，其剩余极化强度达到40.3μC/cm²，饱和极化强度达到47.8μC/cm²，与钛酸钡薄膜对比剩余极化强度提高了950％，饱和极化强度提高了140％。该复合薄膜作为无铅铁电材料在铁电随机存储器、薄膜电容器、传感器、致动器等集成铁电器件上具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于电子信息材料、功能材料和智能材料领域，具体涉及一种钛酸钡-钌酸锶纳米复合薄膜材料及其制备方法。

背景技术

铁电薄膜具有优越的铁电、压电、介电和光电等电学性能，在数据存储器、晶体场效应管、声表面波器件、传感器和致动器等集成铁电器件上有着广泛的应用。目前，一般常用的铁电材料是以锆钛酸铅(Pb(Zr_xTi_1-x)O₃，简称PZT)为代表的铅基氧化物陶瓷材料,其中的PbO含量约占原料总量的70％。在铅基铁电材料的生产、使用和废弃后的处理过程中存在着对生态环境严重污染的风险。在欧州议会已经通过的关于“电器和电子设备中限制有害物质”的法令中，含铅的铁电、压电材料是被限制使用的物质。我国信息产业部在电子信息产品污染重点防治目录中也要求电子信息产品中不得含有铅、汞、镉、六价铬等有害物质。因此，随着环境保护意识和人类社会可持续发展理念的不断增强，无铅铁电材料已经成为世界各主要科研大国大力研发的重点材料之一。

近几年，无铅铁电材料的开发与应用已经取得了一些显著的进展。但是，无铅铁电材料的铁电、压电、介电和光电等性能与传统的PZT系铅基铁电材料对比还存在比较大的差距。因此,如何开发高性能的无铅铁电材料，使其性能可以与传统的PZT系铅基铁电材料相媲美，已经成为无铅铁电材料能否替代含铅铁电材料的关键问题。开发新型的无铅铁电薄膜材料，大幅度提高其铁电、压电、介电和光电等性能，无疑将促进无铅铁电材料在集成铁电器件中的应用。

钛酸钡是一种典型的无铅铁电材料，除了其作为介质材料在多层陶瓷电容器中的应用外，在工业上并未得到广泛的应用。原因是钛酸钡的铁电极化性能比较低，一般仅为5～7μC/cm²，与PZT系铅基铁电材料对比相差甚远。因此，如何提高钛酸钡以及钛酸钡基无铅铁电材料的铁电、压电、介电和光电等性能，使其可以替代PZT等含铅铁电材料备受人们关注。钌酸锶是一种金属导电性氧化物，由于其良好的导电性，常被用于铁电薄膜的电极材料。铁电材料具有良好的铁电、压电、介电和光电等性能的前提是其必须具有良好的绝缘性。一般情况下，在铁电材料中添加具有金属导电性的第二相，比如钌酸锶，由于铁电材料的绝缘性降低，会产生比较大的漏电流，因而不具有良好的铁电性能。现有技术中常常采用钌酸锶作为底电极层，但是，我们发现如果将钌酸锶粒子控制在几个纳米至十几个纳米，并使其均匀分散在钛酸钡基体中，则可以打破常规，制备出铁电和介电性能优越的钛酸钡基纳米复合薄膜，这无疑对无铅铁电薄膜材料的发展与应用具有十分重要的意义。

脉冲激光沉积法是制备高质量的氧化物外延薄膜的主要方法之一。在用脉冲激光沉积法制备钛酸钡-钌酸锶纳米复合薄膜材料的过程中，通过控制脉冲激光照射钛酸钡和钌酸锶靶材的时间，可以精确地调控钛酸钡和钌酸锶的两相组成、钌酸锶纳米粒子的尺寸与分布。该纳米复合薄膜材料在室温下具有优越的铁电和介电性能，甚至可以与铅基铁电材料PZT薄膜相媲美。本发明提供了一种纳米复合薄膜材料及其制备技术，可与半导体工艺技术兼容,因此在铁电存储器、传感器、致动器等微机电系统中具有广阔的应用前景。

发明内容