一种铌酸银钐反铁电薄膜及其制备方法

本发明涉及功能薄膜材料，具体地说是一种铌酸银钐反铁电薄膜及其制备方法。

背景技术：

1、科技的发展对电子器件存储、吸收和提供电力的要求日渐提高。电容器通常具有高功率密度(电化学超级电容器达101～106w/kg和介电电容器可达108w/kg)和低能量密度(一般低于30wh/kg)，常被用来产生脉冲电压或电流。具有高储能密度的电介质电容器将进一步促进电子和电气系统的小型化、轻量化和集成化。同时陶瓷介质电容器兼具良好的机械性能和热性能，是脉冲功率技术最关键的储能元件。其中，具有双电滞回线特征的反铁电储能陶瓷材料一直备受关注。目前，关于反铁电介电储能陶瓷(块体、厚膜和薄膜)的研究主要集中在含铅反铁电体系。铅基反铁电陶瓷块体、厚膜和薄膜均表现出优异的储能性能。但是该体系材料中含有大量有毒的铅，在生产、使用及废弃处理过程中均会给人类健康和生态环境带来严重的危害。更重要的是，无铅介电陶瓷密度(5.0-7.0g/cm3)低于铅基陶瓷密度(～7.5g/cm3)，更易满足脉冲功率设备对储能电容器“轻量化”的要求。因此，研发性能优异的无铅反铁电储能陶瓷材料成为一项紧迫且具有重大实用意义的课题。

2、近来研究表明，agnbo3基陶瓷是一类新型无铅反铁电储能材料，但其储能性能受制于较低的介电击穿强度eb。薄膜的气孔率及缺陷浓度远低于陶瓷块体，因而其介电击穿强度eb远远高于陶瓷块体。因此，薄膜化有望提高agnbo3材料的储能性能。但目前关于agnbo3薄膜储能性能的研究鲜有报道。因此，研究并提高agnbo3无铅薄膜的储能性能成为具有重要生产实践意义的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种铌酸银钐反铁电薄膜及其制备方法，通过本发明实现了agnbo3基铁电材料的薄膜化，促进了agnbo3基反铁电材料在大规模高性能集成电路中的应用。

2、本发明是这样实现的：

3、一种铌酸银钐反铁电薄膜，其结构是：在铝酸镧(laalo3,lao)基片上生长钴酸锶镧((la0.5sr0.5)coo3,lsco)底电极，在钴酸锶镧底电极上生长铌酸银钐((ag1-xsmx)nbo3,x＝0.01-0.06，asxno)薄膜，在铌酸银钐薄膜上生长上电极。

4、优选的，铌酸银钐薄膜中钐的掺杂量为x＝0.04，铌酸银钐薄膜的厚度为100～300nm，呈现出反铁电电滞回线。

5、优选的，上电极为钴酸锶镧和铂的复合电极。

6、本发明采用磁控溅射技术使asxno薄膜生长在lsco底电极上，其具有高介电击穿强度和高储能密度，同时极大的减小了ano基反铁电材料的使用成本以及占用空间，使其在大规模集成电路中有很广的应用潜力。

7、上述铌酸银钐反铁电薄膜的制备方法如下：

8、(1)基片清洗；

9、(2)采用磁控溅射工艺在基片上生长底电极；

10、(3)采用磁控溅射工艺在底电极上生长(ag1-xsmx)nbo3薄膜，之后退火处理；x＝0.01-0.06；所用靶材为(ag1-xsmx)nbo3；

11、(4)采用磁控溅射工艺在(ag1-xsmx)nbo3薄膜上生长上电极。

12、优选的，步骤(1)中，基片为(001)铝酸镧基片；将基片先后在丙酮和无水乙醇中超声波清洗10分钟，去除表面杂质，再用氮气吹干。

13、优选的，步骤(2)中，偏轴磁控溅射生长lsco薄膜底电极：真空室的背底真空度为1×10-5～1×10-3pa，lsco靶间距为5～15cm，通入氩气与氧气的比例为3：1，动态平衡气体压强为1～4pa，溅射功率为40～80w，在400～750℃首先预溅射10min，去除靶材表面吸附的气体等杂质，随后打开样品挡板正式溅射20～120min，生长的lsco薄膜厚度为10～100nm。

14、优选的，步骤(3)中，偏轴磁控溅射生长asxno薄膜：原位生长asxno薄膜，asxno靶间距为5～15cm，通入氩气与氧气的比例为3：1，动态平衡气体压强为1～4pa，溅射功率为50～70w，在550～700℃预溅射10min，正式溅射1～5h，生长的asxno薄膜厚度为100～300nm。

15、优选的，步骤(3)中，对asxno膜层进行退火处理：asxno膜层生长完成后，在腔体中充入氧气进行退火处理，氧气流量由小到大逐渐调控，使温度波动控制在±2℃以内，充气结束后压强为1～9×104pa，随后设置控温程序以5℃/min的速度慢速退火至室温。

16、优选的，步骤(4)中，偏轴磁控溅射生长lsco和pt上电极：为asxno/lsco/lao异质结加上掩模版，将真空室的背底真空度抽至1×10-5～1×10-3pa，lsco靶间距为5～15cm，通入氩气与氧气的比例为3：1，动态平衡气体压强为1～4pa，溅射功率为40～80w，在400～750℃首先预溅射10min，去除靶材表面吸附的气体等杂质，随后打开样品挡板正式溅射20～120min，生长的lsco薄膜厚度为10～100nm。将背景真空度抽至1×10-5～1×10-3pa，pt靶间距为5～15cm，通入纯氩气，动态平衡气体压强为1～4pa，溅射功率为50～80w，溅射时间为1～5min，在室温下生长pt薄膜，其厚度可为20～100nm。

17、优选的，步骤(1)中，基片还可以是lao其它取向的基片或者其它材料衬底，即：不仅晶面为(001)的lao基片可做衬底，其它元素掺杂、不同晶向的单晶硅、多晶硅、其它种类基片也可以作为衬底。

18、优选的，步骤(2)中，lsco可用钌酸锶(sro)、镍酸镧(lno)等其他导电材料代替。

19、优选的，步骤(2)中，除了高温生长，在室温生长然后进行后退火，仍可以获得lsco薄膜。

20、优选的，步骤(4)中，室温生长pt上电极，也可以生长制备ag、au、cu等其他电极。

21、本发明采用磁控溅射法在(001)lao基片上分别外延生长一层lsco薄膜与一层asxno薄膜。为了测试性能，依然采用磁控溅射法生长lsco和pt上电极，最终制备完成pt/lsco/asxno/lsco/lao，实现ano基反铁电材料的薄膜化。ano基反铁电材料的薄膜化是未来发展的必然趋势，不但能降低生产成本，而且有利于器件的轻量化、小型化和集成化，在储能材料领域有很广的应用前景。

技术特征：

1.一种铌酸银钐反铁电薄膜，其特征是，在基片上生长有底电极，在底电极上生长(ag1-xsmx)nbo3薄膜，(ag1-xsmx)nbo3薄膜中sm的掺杂量为x＝0.01-0.06；在(ag1-xsmx)nbo3薄膜上生长有上电极。

2.根据权利要求1所述的铌酸银钐反铁电薄膜，其特征是，(ag1-xsmx)nbo3薄膜中sm的掺杂量为x＝0.04。

3.根据权利要求1所述的铌酸银钐反铁电薄膜，其特征是，(ag1-xsmx)nbo3薄膜的厚度为100～300nm。

4.根据权利要求1所述的铌酸银钐反铁电薄膜，其特征是，所述底电极为钴酸锶镧底电极，所述上电极为钴酸锶镧和铂的复合电极。

5.一种铌酸银钐反铁电薄膜的制备方法，其特征是，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的铌酸银钐反铁电薄膜的制备方法，其特征是，步骤(3)中，原位生长(ag1-xsmx)nbo3薄膜，靶间距为5～15cm；向腔体内通入体积比为3:1的氩气与氧气，动态平衡气体压强为1～4pa，溅射功率为50～70w，在550～700℃预溅射10min，之后正式溅射1～5h，生长的(ag1-xsmx)nbo3薄膜厚度为100～300nm。

7.根据权利要求5所述的铌酸银钐反铁电薄膜的制备方法，其特征是，步骤(3)中，退火处理具体是：向腔体中充入氧气，氧气流量由小到大逐渐调控，使温度波动控制在±2℃以内，充气结束后压强为1～9×104pa，随后设置控温程序以5℃/min的速度退火至室温。

8.根据权利要求5所述的铌酸银钐反铁电薄膜的制备方法，其特征是，步骤(1)中，基片为(001)铝酸镧基片；将基片先后在丙酮和无水乙醇中超声波清洗10分钟，去除表面杂质，再用氮气吹干。

9.根据权利要求5所述的铌酸银钐反铁电薄膜的制备方法，其特征是，步骤(2)中，采用磁控溅射工艺在基片上生长钴酸锶镧底电极，具体工艺如下：抽真空至1×10-5～1×10-3pa，靶间距设置为5～15cm，向腔体内通入体积比为3:1的氩气与氧气，动态平衡气体压强为1～4pa，溅射功率为40～80w，在400～750℃预溅射10min，之后正式溅射20～120min，生长的钴酸锶镧底电极厚度为10～100nm。

10.根据权利要求5所述的铌酸银钐反铁电薄膜的制备方法，其特征是，步骤(4)中，上电极为钴酸锶镧和铂的复合电极；具体工艺如下：在基片上加掩膜版，抽真空至1×10-5～1×10-3pa，钴酸锶镧靶间距为5～15cm，向腔体内通入体积比为3:1的氩气与氧气，动态平衡气体压强为1～4pa，溅射功率为40～80w，在400～750℃预溅射10min，之后正式溅射20～120min，生长的钴酸锶镧薄膜厚度为10～100nm；将背景真空度抽至1×10-5～1×10-3pa，pt靶间距为5～15cm，通入纯氩气，动态平衡气体压强为1～4pa，溅射功率为50～80w，溅射时间为1～5min，在室温下生长pt薄膜，其厚度为20～100nm。

技术总结本发明提供了一种铌酸银钐反铁电薄膜及其制备方法。该铌酸银钐反铁电薄膜的结构具体是：在基片上生长有底电极，在底电极上生长(Ag1‑xSmx)NbO3(简写为ASxNO)薄膜；在ASxNO薄膜上生长有上电极。本发明采用磁控溅射法在(001)LAO基片上分别外延生长一层LSCO薄膜与一层ASxNO薄膜。为了测试性能，依然采用磁控溅射法生长LSCO和Pt上电极，最终制备完成Pt/LSCO/ASxNO/LSCO/LAO，实现ANO基反铁电材料的薄膜化。ANO基反铁电材料的薄膜化是未来发展的必然趋势，不但能降低生产成本，而且有利于器件的轻量化、小型化和集成化，在储能材料领域有很广的应用前景。技术研发人员：赵磊,马清竹,李清受保护的技术使用者：河北大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5