一種贗1－3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方法
【專利摘要】一種贗1－3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方法，以BTFO為鐵電相基質(zhì)，通過納米團(tuán)簇自組裝的微結(jié)構(gòu)盤狀強(qiáng)磁致伸縮FeGa納米團(tuán)簇，形成柱狀陣列結(jié)構(gòu)，將其嵌入到BTFO基質(zhì)中，最后在頂層負(fù)載BTFO壓電薄膜，從而實現(xiàn)BTFO壓電薄膜包圍的FeGa陣列結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出的一種贗1－3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方法，形成的FeGa納米團(tuán)簇陣列顆粒尺寸大小可控，實現(xiàn)了通過納米尺度結(jié)構(gòu)的調(diào)控來控制薄膜磁電耦合性能，最大限度的去除硬質(zhì)襯底的“夾持”作用。本發(fā)明所述方法制備的磁電復(fù)合薄膜，飽和磁致伸縮為在4000Oe磁場下，最大磁致伸縮系數(shù)λ可達(dá)到304ppm，薄膜的磁電耦合系數(shù)可達(dá)到410mV/Oe·cm，具有很高的磁電耦合效應(yīng)。
【專利說明】
一種贗1 一3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于薄膜磁電材料領(lǐng)域，涉及一種磁電復(fù)合薄膜的制備方法，特別涉及一 種具有贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方法
【背景技術(shù)】
[0002] 磁電效應(yīng)是材料在磁場的作用下產(chǎn)生電極化，或在電場中產(chǎn)生磁化的現(xiàn)象， Bi5Ti3FeO15(BTFO)是四層Aurivillius相結(jié)構(gòu)的單相磁電體，具有優(yōu)良的鐵電和壓電性、高 居里點、抗疲勞和環(huán)境友好等優(yōu)點，但是由于反鐵磁本性，鐵電極化序與較弱磁性的共存表 現(xiàn)了較弱的磁電耦合行為。
[0003] 磁電復(fù)合材料的磁電性能顯著優(yōu)于單相材料。根據(jù)鐵電相和鐵磁相的不同和相的 連通方式，磁電復(fù)合材料主要分為0 - 3型、2 - 2型和1 一3型三類。通過理論模型預(yù)言，1 一3 結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合材料中鐵電相(鐵磁相)在3維方向上連通，鐵磁相(鐵電相)在一維方向上連 通，能夠完全克服薄膜襯底對薄膜的鉗制作用，比2-2型層間復(fù)合磁電薄膜具有更大的磁電 耦合效應(yīng)。
[0004] 在1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜設(shè)計與制造方面，雖然已有利用脈沖激光沉積(PLD)方 法在SrTiO3單晶襯底上制備1 一 3型BaTiO3-CoFe2O4外延復(fù)合薄膜的方法，使CoFe 2O4以納米 小柱的形式鑲嵌在BaTiO3基體中，但是該方法存在著制造難度高、薄膜微觀結(jié)構(gòu)難以調(diào)控、 薄膜磁電性能差、生產(chǎn)成本高等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種操作步驟簡便、團(tuán)簇尺寸一致、 磁電特性好、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高的贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方法。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：
[0007] -種贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方法，包括以下步驟：
[0008] (1)在襯底上沉積第一層BTFO壓電薄膜;為保持襯底清潔，操作前優(yōu)選先將襯底進(jìn) 行超聲清洗；
[0009] (2)在步驟(1)處理后的襯底第一層BTFO壓電薄膜上加蓋掩膜板；
[00?0] (3)以FeGa合金作為派射革E材，在60_80Pa的氬氣環(huán)境下，通過派射電源激勵，使氬 離子轟擊祀材，實現(xiàn)革E材的表層原子脫落，并在差分氣壓的推動下隨氬氣一起飛向襯底；
[0011] (4)脫落的FeGa原子在飛行過程中，與氬氣持續(xù)碰撞并逐漸生長成團(tuán)簇，所述團(tuán)簇 在多級差分抽氣的驅(qū)動下，形成朝向襯底方向的定向且準(zhǔn)直的團(tuán)簇束流；
[0012] (5)保持團(tuán)簇束流以lA/s的沉積速度在襯底第一層BTFO壓電薄膜上沉積100~150 分鐘，在掩膜板的遮擋下，形成由多個厚度為600~900nm團(tuán)簇圓盤所組成的團(tuán)簇盤狀陣列；
[0013] (6)移除掩膜板；
[0014] (7)利用溶膠凝膠法在步驟(4)生成的納米團(tuán)簇盤狀陣列上沉積第二層BTFO壓電 薄膜，使納米團(tuán)簇盤狀陣列包裹在兩層BTFO壓電薄膜之間；
[0015] (8)在第二層BTFO壓電薄膜上沉積點電極。
[0016] 進(jìn)一步，所述掩膜板為具有圓形通孔陣列的平板結(jié)構(gòu)，所述圓形通孔的直徑為 0.2mm，相鄰圓形通孔之間的中心距為0.5~0.6mm。
[0017] 進(jìn)一步，所述襯底為鉑的硅片單晶（100)取向的Pt(100)/Ti/Si02/Si，該襯底同時 作為本發(fā)明所述磁電復(fù)合薄膜的底電極。
[0018] 進(jìn)一步，步驟(1)和/或(5)中所述沉積BTFO壓電薄膜的方法包括以下步驟：
[0019] (a)以乙二醇為溶劑，配制濃度為O.lmol/1的Bi5Ti3Fe015前軀體溶膠；
[0020] (b)采用旋涂法將步驟(a)制備的溶膠旋涂在襯底上，旋涂操作步驟為先以400轉(zhuǎn)/ 分鐘的速度旋涂15秒，再以4000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋涂50秒；
[0021] (C)在250°C的氣氛下將溶膠薄膜烘干；
[0022] (d)重復(fù)步驟(b)至(C)直至溶膠薄膜達(dá)到所需要的厚度；
[0023] (e)在700°C氧氣氣氛下，快速退火30分鐘。
[0024]進(jìn)一步，步驟(2)中所述作為派射革El材的FeGa合金的Fe與Ga原子比為4:1。
[0025] 進(jìn)一步，步驟(2)中所述濺射靶材為圓柱形，圓柱的直徑為50mm，厚度為2mm。
[0026] 進(jìn)一步，步驟(3)中所述氬氣環(huán)境的壓強(qiáng)為70Pa。
[0027] 進(jìn)一步，步驟(3)所述濺射電源激勵采用直流電源，電流強(qiáng)度為0.135mA
[0028] 進(jìn)一步，步驟(8)中所述電極為厚度100納米的金電極。
[0029] 本發(fā)明還包括一種利用權(quán)利要求1至9中任一權(quán)利要求所述的贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù) 合薄膜的制備方法，所生產(chǎn)的磁電復(fù)合薄膜。
[0030] 本發(fā)明提出了一種贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方法，通過將納米組裝的FeGa 盤狀陣列封裝在BTFO基質(zhì)中，形成顆粒尺寸可控的具有納米結(jié)構(gòu)的贗1 一3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄 膜，最大限度的去除硬質(zhì)襯底的"夾持"作用，實現(xiàn)了通過納米尺度結(jié)構(gòu)的調(diào)控來來控制薄 膜磁電耦合性能。采用本發(fā)明所述方法制備的磁電復(fù)合薄膜，飽和磁致伸縮為在40000e磁 場下，最大磁致伸縮系數(shù)λ可達(dá)到304ppm，薄膜的磁電親合系數(shù)可達(dá)到410mV/0e · cm，具有 很高的磁電耦合效應(yīng)。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明所采用的團(tuán)簇束流沉積系統(tǒng)的工作原理示意圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明實施例1制得的贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的掃描電鏡圖；
[0033] 圖3為本發(fā)明實施例1制得的贗1 一3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的壓電圖曲線；
[0034]圖4為本發(fā)明實施例1制得的團(tuán)簇組裝的FeGa微納米盤狀陣列的磁致伸縮曲線；
[0035] 圖5為本發(fā)明實施例1制得的贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜磁電耦合系數(shù)曲線。
[0036] 圖1中的附圖標(biāo)記為：1-濺射氣體入口、2-液氮入口、3-SmCo合金靶、4-第三級噴 嘴、5-襯底座、6-襯底、7-保護(hù)氣入口、8-冷凝腔、9-第二級噴嘴、10-第一級噴嘴、a-第一級 氣壓差分系統(tǒng)、b-第二級氣壓差分系統(tǒng)、C-第三級氣壓差分系統(tǒng)、d-第四級氣壓差分系統(tǒng)、 A-團(tuán)簇源室、B-緩沖區(qū)、C-成核區(qū)、D-生長區(qū)
【具體實施方式】
[0037] 以下結(jié)合實施例1至3和附圖1至5,進(jìn)一步說明本發(fā)明一種贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄 膜的制備方法的【具體實施方式】和產(chǎn)生效果。本發(fā)明一種贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方 法不限于以下實施例的描述。
[0038] 如圖1所示，是本發(fā)明利用團(tuán)簇束流沉積系統(tǒng)制備贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的示 意圖。所述低能團(tuán)簇束流沉積系統(tǒng)主體由四部分構(gòu)成：團(tuán)簇源室A、緩沖區(qū)B、成核區(qū)C和生長 區(qū)D 0
[0039] 在團(tuán)簇源室A中，惰性氣體由惰性氣體入口進(jìn)入冷凝腔8，冷凝腔8的腔壁通入液氮 進(jìn)行冷卻，這樣惰性氣體通過與冷凝腔8的腔壁的反復(fù)碰撞可以迅速冷卻下來，從而提高冷 凝效率。從磁控濺射靶源濺射出的原子氣或離子氣，通過濺射氣體入口 1進(jìn)入充滿惰性氣體 的冷凝腔8中，并與惰性氣體分子相互碰撞、冷凝，從而在第一級氣壓差分系統(tǒng)a中形成初始 團(tuán)簇。
[0040] 初始團(tuán)簇在惰性氣體的帶動下，飛向第一級噴嘴10,其間不斷吸附濺射原子和/或 離子而逐漸長大。最后，團(tuán)簇飛離緩沖區(qū)B，并通過第一級噴嘴10發(fā)生等熵膨脹而進(jìn)入成核 區(qū)C，第一級噴嘴10的尺寸選擇直接影響到團(tuán)簇束流，噴嘴的直徑越大，形成的團(tuán)簇尺寸越 小，而且會增大團(tuán)簇束流的強(qiáng)度，與此同時也能減少噴口被阻塞的可能。但是噴嘴的尺寸過 大時，會增加氣壓差分系統(tǒng)抽氣得負(fù)擔(dān)，因此在選擇時，要根據(jù)實際情況，權(quán)衡各個方面，做 出最優(yōu)化的選擇。從第一級噴嘴10噴出的團(tuán)簇被緩沖區(qū)B中的緩沖氣體攜帶，依次通過第二 級氣壓差分系統(tǒng)b、直徑2mm的第二級噴嘴9、第三級氣壓差分系統(tǒng)c，直徑3mm第三級噴嘴4、 到達(dá)第四級氣壓差分系統(tǒng)d。由于上述噴嘴均具有一定的錐度，因此團(tuán)簇在穿過每一級噴嘴 時都將發(fā)生等熵膨脹，從而形成準(zhǔn)直的具有較高尺寸單色度的團(tuán)簇束流。各級氣壓差分系 統(tǒng)的差分抽氣構(gòu)成如下：第一級氣壓差分系統(tǒng)a由1200L/S的分子栗抽氣，第二級氣壓差分 系統(tǒng)b、第三級氣壓差分系統(tǒng)才和第四級氣壓差分系統(tǒng)d均由600L/s的分子栗抽氣。
[0041] 當(dāng)團(tuán)簇源室A中的惰性氣體氣壓為IOOPa量級時，對應(yīng)的緩沖區(qū)B、成核區(qū)C、生長區(qū) D的真空度分別為H^PaUi^PadOipa量級，這樣設(shè)置的動態(tài)差分抽氣完全滿足實際需要， 可以獲得穩(wěn)定的團(tuán)簇束流。最后，準(zhǔn)直的具有較高顆粒尺寸的單色度的團(tuán)簇顆粒沉積在襯 底6上，形成團(tuán)簇組裝的具有贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜。
[0042] 圖1中下部的著色區(qū)域示意了團(tuán)簇生長和沉積的過程，著色區(qū)域的高度代表了團(tuán) 簇在不同位置的尺寸大小。如圖所示，團(tuán)簇最初為非常小的顆粒，由緩沖區(qū)B出發(fā)，在向后邊 飛行的過程逐漸生長，到成核區(qū)C后繼續(xù)長大，著色區(qū)域的高度逐步升高。但是經(jīng)過第二級 噴嘴9后，一些大的和不均勻的被過濾掉，后面過程于此類似最后在沉積的時候，顆粒比較 均勻，著色區(qū)域的高度幾乎不再變化，線條變的平坦。
[0043] 本發(fā)明所使用的團(tuán)簇束流方法是一種低能團(tuán)簇束流沉積方法，團(tuán)簇沉積在襯底6 表面是一種軟著陸的方式。實際上，團(tuán)簇束流沉積時，團(tuán)簇沉積到襯底6時的能量是非常低 的，團(tuán)簇顆粒到襯底6的動能大約是10~I OOmeV/Atom。同時，對于本發(fā)明所采用的低能團(tuán)簇 束流沉積系統(tǒng)，團(tuán)簇沉積到襯底6的切向速度小于法向速度的1 /50，所以團(tuán)簇顆粒和襯底之 間的碰撞是一種正碰。從而，團(tuán)簇顆粒在襯底6表面的切向動能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表面的迀徙能（一 般是eV量級），這樣不容易發(fā)生團(tuán)簇顆粒之間的大范圍聚合。通過分析，團(tuán)簇顆粒中，每個原 子的動能低于lOOmeV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原子的結(jié)合能(一般原子的結(jié)合能為eV量級），所以團(tuán)簇入 射到襯底6上是不可能被擊碎或者反射回去，而是立即被襯底吸附，因此這種沉積完全是一 種軟著陸方式。團(tuán)簇顆粒在襯底表面難于迀徙，因此這種團(tuán)簇沉積可以看成是一種隨機(jī)堆 垛的過程，這種隨機(jī)堆垛沉積使顆粒之間不容易發(fā)生反應(yīng)聚合，容易形成尺寸均勻單一的 薄膜。
[0044] 本發(fā)明以BTFO為鐵電相基質(zhì)，通過納米團(tuán)簇自組裝的微結(jié)構(gòu)盤狀強(qiáng)磁致伸縮FeGa 納米團(tuán)簇，形成柱狀陣列結(jié)構(gòu)，將其嵌入到BTFO基質(zhì)中，最后在頂層負(fù)載BTFO壓電薄膜，從 而實現(xiàn)BTFO壓電薄膜包圍的FeGa陣列結(jié)構(gòu)，該薄膜具有成相很強(qiáng)的磁電親合。利用低能團(tuán) 簇束流淀積系統(tǒng)制備FeGa納米盤狀陣列，可以實現(xiàn)在納米尺度下控制團(tuán)簇顆粒組裝的納米 盤狀陣列結(jié)構(gòu)薄膜，并實現(xiàn)BTFO壓電基質(zhì)的封裝，頂層和底層的BTFO壓電基質(zhì)，可以減小由 于引入FeGa合金帶來的漏電同時實現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力的與電信號之間的轉(zhuǎn)化，從而產(chǎn)生的磁致伸 縮效應(yīng)。這種團(tuán)簇組裝的FeGa微納米結(jié)構(gòu)在室溫下有很強(qiáng)的磁致伸縮效應(yīng)，作為盤狀的壓 磁性相可以減弱硬襯底對其的"夾持"作用，從而與壓電相材料的耦合作用產(chǎn)生強(qiáng)的磁電耦 合效應(yīng)。
[0045] 本發(fā)明所生產(chǎn)出的具有柱狀陣列結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的磁電效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層復(fù)合材料 和顆粒復(fù)合材料的磁電效應(yīng)。原因在于，納米團(tuán)簇沉積的FeGa鐵磁相，由團(tuán)簇沉積的納米顆 粒組裝顆粒的尺度接近磁單疇尺度，表現(xiàn)出強(qiáng)的磁致伸縮特性，可以與鐵電相BTFO耦合，獲 得大的磁電效應(yīng)。實驗和理論證明，采用本發(fā)明所生產(chǎn)出的薄膜有很強(qiáng)的磁電耦合系數(shù)，可 以達(dá)到410mV/0ecm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他材料的磁電輸入。同時，利用團(tuán)簇束流沉方法制備的FeGa 薄膜的飽和磁致伸縮為在40000e磁場下最大磁致伸縮系數(shù)λ達(dá)到304ppm，相比現(xiàn)有方法，該 方法制備的薄膜的磁致伸縮較大，有助于鐵電材料復(fù)合獲得更大的磁電效應(yīng)。
[0046] 實施例1
[0047]以乙二醇為溶劑配制濃度為O.lmol/1的溶膠，單晶（100)取向的Pt/Ti/Si02/Si襯 底超聲清洗后作為襯底，利用溶膠凝膠方法沉積18層BTFO壓電基質(zhì)厚度約為800nm，使用快 速熱處理系統(tǒng)RTP在空氣中700度退火15分鐘。
[0048] 加蓋孔徑為200微米，孔洞排列22列X 25行，列間距0.6mm行間距0.5mm的掩膜板， 并固定在沉積室的基座上，選擇直徑為50mm厚度為2mm的FeGa(原子比1:4)的合金祀做為派 射靶材。
[0049] 利用機(jī)械栗和分子栗預(yù)抽真空，使沉積室的真空壓強(qiáng)等于3Xl(T4Pa，通入緩沖氣 體氬氣使腔室壓強(qiáng)達(dá)到80Pa，使用直流電源，電流0.135mA，沉積束流?Λ/s，在在冷凝室中， 被高壓電離的氬離子轟擊脫落的表層FeGa混合原子在通過和氬原子的不停的碰撞逐漸生 長成團(tuán)簇，形成的團(tuán)簇被氣流攜帶經(jīng)過各級差分抽氣細(xì)孔噴嘴而形成高度定向并且準(zhǔn)直的 團(tuán)簇束流。團(tuán)簇束流對準(zhǔn)襯底開始沉積，沉積時間為130分鐘，在襯底上形成厚度為800納米 的納米團(tuán)簇圓盤狀陣列結(jié)構(gòu);移除掩膜板后用旋涂技術(shù)沉積BTFO頂層壓電基質(zhì)，實現(xiàn)FeGa 盤狀陣列的包裹和封裝，經(jīng)快速熱處理系統(tǒng)在空氣氣氛下700°C退火15分鐘。
[0050] 如圖2所示，SEM圖片顯示出成功制備贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜表面形貌。從薄膜 的掃描電鏡圖像可以看出，F(xiàn)eGa微納米圓盤完全被BTFO壓電基質(zhì)所包裹，形成一種封裝狀 態(tài)，團(tuán)簇組裝的盤裝陣列是由尺寸分布均勻的團(tuán)簇顆粒組裝的，顆粒的平均尺寸為30nm，接 近FeGa的磁單疇尺寸，從而具備了表現(xiàn)出增強(qiáng)的磁致伸縮行為。
[0051] 如圖3所示，利用PFM壓電力顯微鏡測試出薄膜在室溫下的壓電性能，可以看到薄 膜的壓電系數(shù)很大301ppm/V，期望獲得非常強(qiáng)的室溫磁電耦合。
[0052]如圖4所示，利用光杠桿原理測試出的薄膜在室溫下的磁致伸縮系數(shù)，可以看到 FeGa薄膜的飽和磁致伸縮在40000e磁場下，最大磁致伸縮系數(shù)λ達(dá)到304ppm，可以在較低的 外加場下達(dá)到飽和，方便在實際應(yīng)用。
[0053]如圖5所示，薄膜在室溫下的磁電耦合，可以看到薄膜有強(qiáng)的磁電耦合系數(shù)可以達(dá) 至lj410mV/0e · cm，同其他材料相比有很大的磁電輸出，說明這種贗1 一3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜 磁可以最大限度的去除硬襯底的"夾持"作用。
[0054] 實施例2
[0055]按照實施1的制備工藝1 一3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜：
[0056]以乙二醇為溶劑配制濃度為O.lmol/1的溶膠，單晶（100)取向的Pt/Ti/Si02/Si襯 底超聲清洗后作為襯底，利用溶膠凝膠方法沉積15層BTFO壓電基質(zhì)厚度約為600nm，使用快 速熱處理系統(tǒng)RTP在空氣中700度退火15分鐘。
[0057] 加蓋孔徑為200微米，孔洞排列22列X 25行，列間距0.6mm行間距0.5mm的掩膜板， 并固定在沉積室的基座上，選擇直徑為50mm厚度為2mm的FeGa(原子比1:4)的合金祀做為派 射靶材。
[0058]利用機(jī)械栗和分子栗預(yù)抽真空，使沉積室的真空壓強(qiáng)等于3Xl(T4Pa，通入緩沖氣 體氬氣使腔室壓強(qiáng)達(dá)到80Pa，使用直流電源，電流0.135mA，沉積束流lA/s，在在冷凝室中， 被高壓電離的氬離子轟擊脫落的表層FeGa混合原子在通過和氬原子的不停的碰撞逐漸生 長成團(tuán)簇，形成的團(tuán)簇被氣流攜帶經(jīng)過各級差分抽氣細(xì)孔噴嘴而形成高度定向并且準(zhǔn)直的 團(tuán)簇束流。團(tuán)簇束流對準(zhǔn)襯底開始沉積，沉積時間為100分鐘，在襯底上形成厚度為600納米 的納米團(tuán)簇圓盤狀陣列結(jié)構(gòu);移除掩膜板后用旋涂技術(shù)沉積BTFO頂層壓電基質(zhì)，實現(xiàn)FeGa 盤狀陣列的包裹和封裝，經(jīng)快速熱處理系統(tǒng)在空氣氣氛下700°C退火15分鐘。與實施1的區(qū) 別僅在于利用溶膠凝膠方法沉積15層BTFO壓電基質(zhì)厚度約為600nm，團(tuán)簇束流對準(zhǔn)襯底開 始沉積，沉積時間為100分鐘，在襯底上形成厚度為600納米的納米團(tuán)簇圓盤狀陣列結(jié)構(gòu)。 [0059] 實施例3
[0060]按照實施1的制備工藝1 一3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜：
[0061 ]以乙二醇為溶劑配制濃度為O.lmol/1的溶膠，單晶（100)取向的Pt/Ti/Si02/Si襯 底超聲清洗后作為襯底，利用溶膠凝膠方法沉積20層BTFO壓電基質(zhì)厚度約為900nm，使用快 速熱處理系統(tǒng)RTP在空氣中700度退火15分鐘。
[0062] 加蓋孔徑為200微米，孔洞排列22列X 25行，列間距0.6mm行間距0.5mm的掩膜板， 并固定在沉積室的基座上，選擇直徑為50mm厚度為2mm的FeGa(原子比1:4)的合金祀做為派 射靶材。
[0063]利用機(jī)械栗和分子栗預(yù)抽真空，使沉積室的真空壓強(qiáng)等于3Xl(T4Pa，通入緩沖氣 體氬氣使腔室壓強(qiáng)達(dá)到80Pa，使用直流電源，電流0.135mA，沉積束流lA/s,在在冷凝室中， 被高壓電離的氬離子轟擊脫落的表層FeGa混合原子在通過和氬原子的不停的碰撞逐漸生 長成團(tuán)簇，形成的團(tuán)簇被氣流攜帶經(jīng)過各級差分抽氣細(xì)孔噴嘴而形成高度定向并且準(zhǔn)直的 團(tuán)簇束流。團(tuán)簇束流對準(zhǔn)襯底開始沉積，沉積時間為150分鐘，在襯底上形成厚度為900納米 的納米團(tuán)簇圓盤狀陣列結(jié)構(gòu);移除掩膜板后用旋涂技術(shù)沉積BTFO頂層壓電基質(zhì)，實現(xiàn)FeGa 盤狀陣列的包裹和封裝，經(jīng)快速熱處理系統(tǒng)在空氣氣氛下700°C退火15分鐘。與實施1的區(qū) 別僅在于利用溶膠凝膠方法沉積20層BTFO壓電基質(zhì)厚度約為900nm，團(tuán)簇束流對準(zhǔn)襯底開 始沉積，沉積時間為150分鐘，在襯底上形成厚度為900納米的納米團(tuán)簇圓盤狀陣列結(jié)構(gòu)。
[0064]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于:包括以下步驟： (1) 在襯底上沉積第一層BTFO壓電薄膜； (2) 在步驟（1)處理后的襯底第一層BTFO壓電薄膜上加蓋掩膜板； (3) 以FeGa合金作為濺射靶材，在60-80Pa的氬氣環(huán)境下，通過濺射電源激勵，使氬離子 轟擊靶材，實現(xiàn)靶材的表層原子脫落，并在差分氣壓的推動下隨氬氣一起飛向襯底； (4) 脫落的FeGa原子在飛行過程中，與氬氣持續(xù)碰撞并逐漸生長成團(tuán)簇，所述團(tuán)簇在多 級差分抽氣的驅(qū)動下，形成朝向襯底方向的定向且準(zhǔn)直的團(tuán)簇束流； (5) 保持團(tuán)簇束流以0.5_.1.5A/s的沉積速度在襯底第一層BTFO壓電薄膜上沉積100~ 150分鐘，在掩膜板的遮擋下，形成由多個厚度為600~900nm團(tuán)簇圓盤所組成的團(tuán)簇盤狀陣 列； (6) 移除掩膜板； (7) 在步驟(4)生成的納米團(tuán)簇盤狀陣列上沉積第二層BTFO壓電薄膜，使納米團(tuán)簇盤狀 陣列包裹在兩層BTFO壓電薄膜之間； (8) 在第二層BTFO壓電薄膜上沉積點電極。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于:所述 掩膜板為具有圓形通孔陣列的平板結(jié)構(gòu)，所述圓形通孔的直徑為〇.2mm，相鄰圓形通孔之 間的中心距為0.5~0.6mm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于:所述 襯底為鉑的硅片單晶（100)取向的Pt(100)/Ti/Si02/Si。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于:步驟 (1) 和/或(5)中所述沉積BTFO壓電薄膜的方法包括以下步驟： (a) 以乙二醇為溶劑，配制濃度為0.1m〇l/l的Bi5Ti3Fe0 15前軀體溶膠； (b) 采用旋涂法將步驟(a)制備的溶膠旋涂在襯底上，旋涂操作步驟為先以400轉(zhuǎn)/分鐘 的速度旋涂15秒，再以4000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋涂50秒； (c) 在250 °C的氣氛下將溶膠薄膜烘干； (d) 重復(fù)步驟(b)至(c)直至溶膠薄膜達(dá)到所需要的厚度； (e) 在700 °C氧氣氣氛下，快速退火30分鐘。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于:步驟 (2) 中所述作為派射祀材的FeGa合金的Fe與Ga原子比為4:1。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于:步驟 (2) 中所述派射革E材為圓柱形，圓柱的直徑為50mm，厚度為2mm。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于:步驟 (3) 中所述氬氣環(huán)境的壓強(qiáng)為70Pa。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于:步驟 (3)所述濺射電源激勵采用直流電源，電流強(qiáng)度為0.135mA。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于:步驟 (8)中所述電極為厚度100納米的金電極，。10. -種利用權(quán)利要求1至9中任一權(quán)利要求所述的贗1 一 3結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的制備方 法所生產(chǎn)的磁電復(fù)合薄膜。
【文檔編號】H01L43/10GK106058043SQ201610502866
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】趙世峰, 白玉龍, 鄔新, 陳介煜
【申請人】內(nèi)蒙古大學(xué)