本发明专利技术公开了一种择优取向生长的Bi5Ti3FeO15多铁性薄膜的制备方法，包括以下步骤：以(111)Pt/Ti/SiO2/Si为衬底，在衬底上先采用溶胶凝胶法沉积CoFe2O4薄膜作为种子层，然后在种子层上再采用溶胶凝胶法沉积Bi5Ti3FeO15薄膜，所得Bi5Ti3FeO15薄膜在c轴择优取向生长。本发明专利技术采用溶胶-凝胶法，在(111)Pt/Ti/SiO2/Si(100)衬底上实现层状钙钛矿型Bi5Ti3FeO15多铁性薄膜的择优取向生长。该方法所制备的薄膜性能优异，用X射线定量估算c轴择优取向薄膜的择优取向度高达90%，适合研制高密度的非挥发性存储器件以及其他磁电耦合器件。
【技术实现步骤摘要】
-种择优取向生长的Bi5Ti3Fe015多铁性薄膜的制备方法
本专利技术涉及一种层状钙钛矿型Bi5Ti3Fe015(简称BTF0)多铁性薄膜的制备方法，具 体涉及一种在（lll)Pt/Ti/Si02/Si衬底上择优取向生长的Bi5Ti3Fe0 15多铁性薄膜的制备 方法。
技术介绍
无论是单相多铁性体系或多铁性复合体系，走向实际应用不可避免要以薄膜异质 结的形态呈现，这是发展信息器件的需要。多铁性薄膜材料不但有铁电、铁磁和铁弹性共 存，而且由于不同铁性之间的相互耦合而产生如磁电效应等新的功能，使人们在基于电荷 序和自旋序设计的器件之外有了一个新的自由度来设计新型磁电器件，这有利于器件向小 型化和多功能化方向发展，使其在声纳探测器、自旋电子器件、传感器和信息存储器等高新
潜在的应用前景大大增加。随着多铁性薄膜器件微型化和半导体集成工艺的发 展，器件的单元尺寸也将会小到l〇〇nm，可以与多晶薄膜材料的晶粒尺寸相媲比。随机取向 的晶粒会使得器件单元铁电性能发散，进而影响器件的整体可靠性。另外，层状钙钛矿氧化 物多铁薄膜材料存在各向异性，不同取向的薄膜材料具有不同的电学和磁性性能，在不同 的应用领域有着不同的应用，如在微电子机械系统（MEMS)中，要求压电性能要好，在非易 失性随机存储器（NvFRAM)中，要求铁电极化强度要大，而在磁电耦合器件中，则要求其磁 电耦合系数要大。因此，生长出均匀取向的薄膜对集成多铁性器件来讲具有重要的意义。 近年来，人们在取向生长铁性薄膜方面取得了一些进展，但是大多数都采用了单 晶衬底，且采用制备条件较为苛刻的PLD法进行外延生长。但是，大多数器件都要求集成在 Si衬底上，为获得具有使用价值的高性能多铁性薄膜，如何在Pt/Ti/Si02/Si (100)衬底上 实现均匀取向生长的高性能层状钙钛矿型多铁性薄膜（BTF0)，是亟待解决的课题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种择优取向生长的Bi5Ti3Fe0 15多铁性薄膜的制备方法， 该方法操作方便，工艺简单，成本较低，所得薄膜择优取向高，并且与CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体），工艺兼容。 本专利技术技术方案如下： -种择优取向生长的Bi5Ti3Fe015S铁性薄膜的制备方法，其特征是包括以下步 骤：以（lll)Pt/Ti/Si0 2/Si为衬底，在衬底上先采用溶胶凝胶法沉积C〇Fe204薄膜作为种子 层，然后在种子层上再采用溶胶凝胶法沉积Bi 5Ti3Fe015薄膜，所得Bi5Ti3Fe0 15薄膜在c轴 择优取向生长。 本专利技术提供的方法可以使Bi5Ti3Fe015薄膜在c轴择优取向生长，其中种子层是择 优取向生长的关键，C 〇Fe204种子层的厚度为8-25nm时取向生长好，种子层过薄或者过厚都 会影响薄膜的取向。其中种子层的厚度优选为15nm。 上述制备方法中，所述Bi5Ti3Fe015多铁性薄膜的厚度为50_500nm。 上述制备方法中，CoFe204种子层的制备方法也会对薄膜的取向生长有一定影响， 优选包括以下步骤： (1)高分子辅助沉积法制备C〇Fe204前驱体溶液 a.按0. 05g/ml配制聚乙烯亚胺高分子溶液，再按质量比Co(Cl)2 :聚乙烯亚胺= 1 : 1称取Co(Cl)2溶解于上述高分子溶液中，磁力搅拌均匀，聚乙烯亚胺（PEI)高分子富 含的-NH 2可以绑定溶液中的钴离子；将上述得到的溶液倒入超滤杯中过滤，滤掉小分子量 的聚乙烯亚胺分子和未被绑定的离子； b.按0. 05g/ml配制聚乙烯亚胺高分子溶液，再按质量比乙二胺四乙酸：聚乙烯 亚胺=1 : 1称取乙二胺四乙酸溶解于该高分子溶液中，再按质量比FeCl3 :聚乙烯亚胺 =1 : 1称取FeCl3加入高分子溶液中，乙二胺四乙酸（EDTA)含-NH2和-C00H基团，它们 可以螯合稳定水溶液中的金属离子，使金属离子更加稳定；将含有聚乙烯亚胺、乙二胺四乙 酸和FeCl 3的溶液倒入超滤杯中过滤； c.将上述a和b中制得的溶液按照质量比Co : Fe = 1 : 2的比例混合均勻，得 到CoFe204前驱体溶液； (2)制备种子层 将（lll)Pt/Ti/Si02/Si衬底放入匀胶机中，然后将C〇Fe 204前驱体溶液涂在衬底 上甩膜，在衬底上沉积C〇Fe20 4薄膜，单层薄膜的厚度为7-1 lnm ;按该方法沉积1-4层薄膜， 使种子层厚度为8-25nm ; (3)涂好后，将衬底放入石英管式炉中，在流动02气氛中进行热分解和退火结晶 热处理，处理过程为：首先从室温以3-5°C /min的速率升至510-550°C热分解，管式炉中的 〇2的流量为lL/min，保温120-180min ;然后以10-15°C /min的速率升至900-1000°C，保温 60min，在流动的02气氛中退火结晶，02的流量为l-5L/min ;待炉温自然冷却至室温后取出 样品。 上述步骤（2)制备种子层时，匀胶机的转速影响种子层薄膜的均匀度，也会影响 Bi5Ti3Fe015的取向生长，一般匀胶机的转速在2000-5000rpm即可，根据所需薄膜的厚度控 制时间。 上述制备方法中，在种子层上沉积Bi5Ti3Fe0 15薄膜的方法也会对薄膜的取向生长 有影响，优选包括以下步骤： (l)Bi5Ti3Fe015前驱体溶液的制备 按摩尔比为 Bi : Ti : Fe = 5 ?5. 3 : 3 : 1 称取 Bi (Ν03)3 · 5H20、钛酸四丁酯 (11(0(；!19)4)和？6(吣 3)3.9!120，再按摩尔比为扮：冰乙酸=1:5?10称取冰乙酸，将 Bi (Ν03) 3 ·5Η20加入到冰乙酸中，保持温度为40-55°C，搅拌至溶液呈粘稠的透明溶液；再将 Fe (Ν03) 3 ·9Η20加入到该透明溶液中，搅拌至完全溶解，得溶液A ;将钛酸四丁酯溶于其等质 量的乙酰丙酮中，搅拌均匀，得溶液B ;将溶液A加入溶液B中，混合均匀后加入乙二醇定容 至Bi5Ti3Fe015前驱体溶液的浓度为0· Olmol/L?0· lmol/L，然后将溶液充分搅拌，用超滤 杯过滤得Bi5Ti3Fe015前驱体溶液； ⑵Bi5Ti3Fe015薄膜的制备 将沉积种子层的衬底放入匀胶机中，然后将Bi5Ti3Fe0 15前驱体溶液涂在种子层 上甩膜，在种子层上沉积Bi5Ti3Fe0 15薄膜，单层薄膜的厚度为20-45nm，薄膜涂好后，将衬 底放入石英管式炉中，先从室温以3-5°C /min的速率升至440-460°C，保温30min ;再以 30-50°C /min的速率升至740-760°C，保温60min ;炉内的02流量为l-5L/min ;待炉温自然 冷却至室温后取出样品； (3)重复上述⑵的步骤2-20次，得到Bi5Ti3Fe0 15薄膜。 上述Bi5Ti3Fe015薄膜的制备过程中，匀胶机的转速为2500_5500rpm时所得薄膜的 取向生长较好，根据薄膜的厚度控制本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种择优取向生长的Bi5Ti3FeO15多铁性薄膜的制备方法，其特征是包括以下步骤：以(111)Pt/Ti/SiO2/Si为衬底，在衬底上先采用溶胶凝胶法沉积CoFe2O4薄膜作为种子层，然后在种子层上再采用溶胶凝胶法沉积Bi5Ti3FeO15薄膜，所得Bi5Ti3FeO15薄膜在c轴择优取向生长。
【技术特征摘要】
1. 一种择优取向生长的Bi5Ti3Fe015多铁性薄膜的制备方法，其特征是包括以下步骤： 以（lll)Pt/Ti/Si0 2/Si为衬底，在衬底上先采用溶胶凝胶法沉积C〇Fe204薄膜作为种子层， 然后在种子层上再采用溶胶凝胶法沉积Bi 5Ti3Fe015薄膜，所得Bi5Ti3Fe0 15薄膜在c轴择优 取向生长。2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述C〇Fe204种子层的厚度为8-25nm ; 所述Bi5Ti3Fe015多铁性薄膜的厚度为50-500nm。3. 根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征是：所述C〇Fe204种子层的制备方法包 括以下步骤： (1) 高分子辅助沉积法制备C〇Fe204前驱体溶液 a. 按0. 05g/ml配制聚乙烯亚胺高分子溶液，再按质量比Co(Cl)2 :聚乙烯亚胺=1 :1称 取Co(Cl)2溶解于上述高分子溶液中，磁力搅拌均匀；将上述得到的溶液倒入超滤杯中过 滤，滤掉小分子量的聚乙烯亚胺分子和未被绑定的离子； b. 按0. 05g/ml配制聚乙烯亚胺高分子溶液，再按质量比乙二胺四乙酸：聚乙烯亚胺 =1 :1称取乙二胺四乙酸溶解于该高分子溶液中，再按质量比FeCl3:聚乙烯亚胺=1 :1称取 FeCl3加入高分子溶液中；将含有聚乙烯亚胺、乙二胺四乙酸和FeCl3的溶液倒入超滤杯中 过滤； c. 将上述a和b中制得的溶液按照质量比Co:Fe=l: 2的比例混合均勻，得到C〇Fe204前 驱体溶液； (2) 制备种子层 将（lll)Pt/Ti/Si02/Si衬底放入匀胶机中，然后将C〇Fe20 4前驱体溶液涂在衬底上甩 膜，在衬底上沉积C〇Fe204薄膜，单层薄膜的厚度为7-1 lnm ;按该方法沉积1-4层薄膜，使种 子层厚度为8-25nm ; (3) 涂好后，将衬底放入石英管式炉中，在流动02气氛中进行热分解和退火结晶热处 理，处理过程为：首先从室温以3-5°C/min的速率升至510-550 °C热分解，管式炉中的02的 流量为 lL/min，保温 120-180min ;然后以 10-15〇C/min 的速率升至 900-100(TC，保温 60min， 在流动的〇2气氛中退火结晶，〇2的流量为1-5 L/min ;待炉温自然冷却至室温后取出样...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨锋，刘芬，杨长红，胡广达，宗志豪，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
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