PZT材料的制备方法及特点

PZT 材料的制备方法及特点
1Mocvd 法 (1)
2溶胶凝胶法 (1)
3脉冲激光法 (2)
4溅射法 (3)
5激光分子束外延 (L-MBE) 法 (3)
薄膜制备是现代材料科学的一种重要技术。

目前常用的 PZT 薄膜制备方法主要有4种:金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法、溶胶凝胶法(Sol-Gel)、脉冲激光法(PLD)、溅射法和激光分子束外延 (L-MBE)法。

1Mocvd 法
金属有机化合物化学气相沉积 (MOCVD) 是20世纪 80年代发展起来的新技术，是利用金属有机化合物在化学相沉积系统中的热解反应来沉积各种薄膜材料的。

由于是利用金属的有机物作为参与反应的气体，所以可大大降低反应所需的温度。

MOCVD 工艺主要原理为：将反应气体和气化的金属有机物前体溶液通过反应室，经过热分解沉积在加热的衬底上形成薄膜。

此法主要优点是薄膜生长速率快，可制备大面积薄膜，能精确控制膜的化学组分和厚度。

但这种方法受制于金属有机源(MO)的合成技术，难以找到合适的金属有机源，仅能用于少数几种薄膜的制备。

采用此方法已制备出PT, PZT, PLZT, BT及LN等铁电薄膜。

2溶胶凝胶法
SOL-GEL 法是制备材料的湿化学方法中一种崭新的方法。

1864年 JJ.Ebelmen 首先开展了这方面的研究工作。

20世纪 30年代 W Geffcken 利用金属醇盐水解和胶凝化制备了氧化物薄膜，从而证实了这种方法的可行性 .但直到 1971年德国学者
H.Dislich 利用 SOL-GEL 法成功制备出多组分玻璃之后， SOL-GEL 法才引起科学界的广泛的关注，并得到迅速发展。

从 80 年代初期， SOL-GEL 法开始被广泛应用于铁电材料、超导材料、冶金粉末、陶瓷材料、薄膜的涂复及其它材料的制备等。

此外，
SOL-GEL 法也是本课题用于制备 PZT 铁电薄膜的方法。

简单的讲，溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。

凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。

溶胶-凝胶法与微电子工艺是兼容的，用这种方法可以获得电性能很好、结构致密的铁电薄膜，其化学计量比及掺杂很容易控制。

但这种方法要用特定的金属醇盐制造，原料容易水解，不易保存。

此外，合成好的金属有机溶胶也会随保存时间的增加而逐渐聚合，使其粘度发生改变，因此影响膜层厚度的控制。

对于较厚的膜，多次布胶时形成的界面也往往使膜层中的缺陷增加，影响性能。

3脉冲激光法
脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition, PLD),也被称为脉冲激光烧蚀(pulsed laser ablation， PLA) ，是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上,得到沉淀或者薄膜的一种手段。

它涉及高能量脉冲辐射冲击固体靶时,激光与物质之间的所有物理相互作用,亦包括等离子羽状物的形成,其后已熔化的物质通过等离子羽状物到达已加热的基片表面的转移,及
最后的膜生成过程。

其优点是易于在较低温度下（如室温）下原位生长取向一致的外延单晶膜和织构膜，能保持较好的化学计量比，薄膜质量好（密度高）、附着性能强，适于生长复杂组份的薄膜。

4溅射法
溅射法包括直流溅射、射频（RF）场磁控溅射、多靶溅射和离子束溅射。

目前采
用最多的是射频磁控溅射法。

磁控溅射法是在高真空充入适量的氩气，在阴极（柱状靶或平面靶）和阳极（镀膜室壁）之间施加几百 K 直流电压，在镀膜室内产生磁控型异常辉光放电，使氩气发生电离。

氩离子被阴极加速并轰击阴极靶表面，将靶材表面原子溅射出来沉积在基底表面上形成薄膜。

通过更换不同材质的靶和控制不同的溅射
时间，便可以获得不同材质和不同厚度的薄膜。

磁控溅射法具有镀膜层与基材的结合力强、镀膜层致密、均匀等优点。

5激光分子束外延（L-MBE）法
激光分子束外延（L-MBE）是近年来发展起来的种新的薄膜制备技术。

分子束外延法（MBE）是在严格控制和超高真空条件下，在单晶衬底上，沿着某一晶面外延
生长出来原子级厚度和平整度的薄膜，而且薄膜厚度、组分、掺杂等都可精确控制，适合生长优质的单晶薄膜、及超晶格薄膜，生长速度缓慢，关键是材料与衬底的晶格常数（失配小于 10%）及类型匹配，结晶取向相同，热膨胀系数相近。

它将传统 MBE 的超
高真空、原位监测的优点和脉冲激光沉积的易于控制化学成分、使用范围广等优点结介起来，在生长、探索人工控制多层膜的新材料方而具有独到之处。

近年来，利用L-MBE 己
成功地研制了多种铁电薄膜和复介薄膜等，并以实现超品格制备和薄膜的外延生长。

结果表明，利用 L-MBE 技术叫在薄膜生长过程中进行原子水平的观察和调控，并在此基
础上实现铁电薄膜的单原子层外延生长。