[发明专利]一种钛酸铅-锆酸铅纳米复合薄膜及其制备方法

说明书

本发明提供了一种钛酸铅‒锆酸铅纳米复合薄膜及其制备方法，所述材料的化学成分为PbTiO₃:PbZrO₃摩尔比为3~12:37，具有钛酸铅纳米粒子均匀地分布在锆酸铅基体上的微观结构特征，其极化特性可以根据钛酸铅与锆酸铅的摩尔比进行调控，由反铁电性变成铁电性。钛酸铅‒锆酸铅纳米复合薄膜具有良好的铁电性，其最大极化强度和剩余极化强度分别为114.6μC/cm²和77.7μC/cm²。钛酸铅‑锆酸铅纳米复合薄膜是通过化学溶液沉积法制备的，具有工艺简单、成本低廉、可大面积均匀成膜等优点，将在铁电存储器、铁电阻变存储器和微机电系统等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于电子材料、功能材料和智能材料领域，具体涉及一种钛酸铅‒锆酸铅纳米复合薄膜及其制备方法。

背景技术

铁电薄膜材料具有优良的铁电性、压电性、光电性和介电性等性能，在数据存储器件、晶体场效应管、声表面波器件、脉冲功率器件等铁电集成微电子领域有着广泛的应用。

铁电材料的典型代表是锆钛酸铅Pb(Zr_xTi_1-x)O₃, PZT，即由锆酸铅与钛酸铅形成的固溶体。当Zr:Ti=52:48时，由于化学成分位于准同型相界MPB，在晶体结构上可以同时存在四方相、菱方相或单斜相等，因此具有优越的铁电、压电、光电和介电等性能。目前，已有多种方法用于制备铁电薄膜材料或铁电复合薄膜材料，包括脉冲激光沉积、磁控溅射、分子束外延生长、化学溶液沉积等方法，其中化学溶液沉积法是最常用的制备方法。铁电薄膜材料的纳米复合化是进一步提高其性能的有效方法。例如，在PZT和PbZrO₃基体中镶嵌Au纳米粒子，可以提高Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃和PbZrO₃薄膜的最大极化，从而提高PbZrO₃薄膜的储能密度。同样，制备α-Fe₂O₃‒PbZrO₃纳米复合薄膜，使α-Fe₂O₃纳米粒子均匀地分布在PbZrO₃基体中，由于α-Fe₂O₃纳米粒子周围的局域电场的影响，薄膜的最大极化和储能密度都有显著的增加。与Au纳米粒子、α-Fe₂O₃纳米粒子等非铁电材料不同，如果在铁电薄膜的基体上镶嵌具有铁电性能的纳米粒子，由于局域电场和极化耦合等作用，则有可能大幅度地提高铁电性能。

根据现有技术，对于化学溶液沉积法制备铁电纳米复合薄膜，如果将两种化学成分不同的前驱体溶液混合，则制备出的铁电薄膜在化学成分上为均一的固溶体。例如，将PbZrO₃前驱体和PbTiO₃前驱体混合，则可以制备出化学成分均一的锆钛酸铅Pb(Zr_xTi_1-x)O₃固溶体。如果在一种前驱体溶液中添加化学成分相同或不同的晶体纳米粒子，则存在两个问题；当晶体纳米粒子的尺寸比较大时难于制备厚度比较薄的薄膜，而且晶体纳米粒子与基体不能很好结合，出现微裂纹、针孔等介观缺陷，导致薄膜漏电而降低铁电性能；当晶体纳米粒子的尺寸比较小时，则纳米粒子易于团聚，难于制备出纳米粒子均匀分散在基体上的复合薄膜，铁电性能也难以提高。为此，需要开发新的纳米复合化技术。

发明内容

发明的目：针对晶体纳米粒子的尺寸较大时难于制备较薄的薄膜，且晶体纳米粒子与基体结合不好，出现微裂纹、针孔等介观缺陷，薄膜漏电从而降低铁电性能；晶体纳米粒子的尺寸较小时，纳米粒子易于团聚，难于制备出纳米粒子均匀分散在基体上的复合薄膜，铁电性能也难以提高的技术缺陷，提供一种钛酸铅‒锆酸铅纳米复合薄膜及其制备方法。