專利名稱：：一種提高無鉛鐵電薄膜性能的方法及其制備的無鉛鐵電薄膜的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種提高無鉛鐵電薄膜性能的方法及其制備的無鉛鐵電薄膜，特別是涉及一種利用電離輻照效應來提高無鉛鐵電薄膜性能的方法及其制備的無鉛鐵電薄膜。
背景技術：
：輻照效應是射線與物質相互作用造成的物質物理、力學性能及組織結構上的變化，利用這個原理可以對材料進行輻照，以此達到對材料改性的目的。輻照效應已經廣泛而有效地應用于大幅度提高各種材料、器件和工具的機械性能、物理性能和化學性能。例如，通過Y射線輻照可以對水晶寶石著色，輻照改性可以使高分子材料分別實現(xiàn)交聯(lián)、固化、接枝、裂解，極大改善材料的物理化學性能等。近幾十年來才開始發(fā)展的鐵電存儲器是一種重量輕、抗輻照、存取速度快、功耗低、存儲密度高、使用壽命長的新型存儲器。由于其極好的應用前景，幾乎世界所有的大型微電子公司，以及諸多著名大學和研究機構都在此領域投入了大量的人力與物力。在鐵電存儲器中，鐵電材料作為介質是以薄膜的形式用于電容，同時也作為記憶元件。鐵電薄膜具有壓電、熱釋電、電光、聲光、光折變、非線性光學效應和高介電系數，制備工藝與CMOS工藝兼容等優(yōu)良特性，因此，鐵電薄膜應用于鐵電存儲器是其一個重要應用。鐵電存儲器的發(fā)展仍面臨諸多問題，鐵電薄膜的漏電流問題就是其中之一。在器件中，鐵電薄膜工作在外加直流電壓下，過大的漏電流將嚴重影響薄膜器件的工作穩(wěn)定性和使用壽命。因此，降低鐵電薄膜的漏電流，對于鐵電存儲器的實際應用將有重要的意義。目前通過對鐵電薄膜漏電流的研究，通常采取的降低漏電流的方法有選用不同的電極、改變薄膜厚度、改變退火溫度、使用不同的摻雜等等，這些方法雖在一定程度上也能起到降低鐵電薄膜漏電流的作用，但是這些方法通常都是通過改變制備工藝來實現(xiàn)的，因此具有難于控制，效果不明顯的缺點，并且會對薄膜的其他性能產生很大影響。利用輻照對材料進行改性，在其他領域已得到廣泛應用，但是，目前還沒有將輻照應用到鐵電薄膜處理的相關研究報道出現(xiàn)，因此我們提出一種利用輻照通過降低鐵電薄膜漏電流來提高鐵電薄膜性能的方法，以及利用該方法得到的無鉛鐵電薄膜。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是針對鐵電薄膜在鐵電存儲器中的應用，為了提高鐵電存儲器的工作穩(wěn)定性和使用壽命，并降低器件工作時的發(fā)熱量，提供一種利用帶電粒子或伽馬射線等載能粒子束與物質相互作用時的電離效應來降低無鉛鐵電薄膜漏電流的方法，以及利用該方法得到的無鉛鐵電薄膜。本發(fā)明的目的是通過如下措施來實現(xiàn)的。本發(fā)明的方法，具體包括以下步驟(1).用制備薄膜的諸多方法中的任何一種制備無鉛鐵電薄膜，比如溶膠凝膠法、脈沖激光沉積法、磁控濺射法等方法。(2).在室溫環(huán)境下，利用帶電粒子或者伽馬射線等載能粒子束對制備好的無鉛鐵電薄膜進行輻照，輻照總劑量范圍是lOMrad-lOOMrad，優(yōu)選lOOMrad。對于不同的輻照總劑量，鐵電薄膜的漏電流的降低程度將有所不同。鐵電薄膜經過輻照處理后，其剩余極化強度將有所下降，可在工程應用要求許可的范圍內，選擇不同的輻照總劑量，以便達到最大限度降低鐵電薄膜漏電流的目的。對于抗輻射性能相對較差的鐵電薄膜，在確定輻射劑量時就應選擇較小的輻射總劑量，對于抗輻射性能強的鐵電薄膜，則應選擇相對較大的輻射劑量。所述無鉛鐵電薄膜優(yōu)選摻釹的鈦酸鉍無鉛鐵電薄膜，也可以是其他遵循晶界限制導電模型(GBLC)機制的鉍層狀鈣鈦礦結構的無鉛鐵電薄膜。所述無鉛鐵電薄膜所用的襯底是Pt/Ti/Si02/Si。所述載能粒子束優(yōu)選帶電粒子及伽馬射線；其利用載能粒子束與物質相互作用時的電離效應。其效果取決于輻照的總劑量效應。鐵電存儲器作為一種具有重量輕、抗輻照、存取速度快、功耗低、存儲密度高等諸多優(yōu)點的新型存儲器，在諸多領域有著廣泛的應用前景，因此降低鐵電薄膜的漏電流，以提高鐵電存儲器的工作穩(wěn)定性，延長使用壽命，降低發(fā)熱量，將有著十分重要的意義。本發(fā)明提供的方法與其他相關文獻報道的方法相比，更能有效降低無鉛鐵電薄膜的漏電流。而且本發(fā)明是發(fā)明人偶然發(fā)現(xiàn)用輻射處理鐵電薄膜能取得意想不到的效果；所以首次將輻照應用到提高鐵電薄膜性能的處理上，其它領域輻射應用的作用原理是有所不同的。在其他領域對于輻射的應用主要利用的是輻射對物質物理、力學和化學性能，生物特性及組織結構上的變化，而本發(fā)明則是利用了輻射對于材料電學性能的改進上。本發(fā)明所述無鉛鐵電薄膜具有非線性極化特性，并且遵循晶界限制導電模型(GBLC)機制，在對其輻照之后，其介電常數會發(fā)生降低，如圖5所示，而晶界勢壘高度與介電常數是成反比關系，所以經輻照后，薄膜的晶界勢壘高度會變大，從而使得薄膜的漏電流降低。為了說明本方法更能有效的降低無鉛鐵電薄膜的漏電流，本發(fā)明對制備的無鉛鐵電薄膜分別進行了總劑量為IOMrad和IOOMrad的輻照，并對薄膜輻照前后的漏電流進行了測試分析，結果表明，本發(fā)明提供的方法更能有效降低鐵電薄膜的漏電流，特別是輻照總劑量達到IOOMrad時，薄膜的漏電流降低非常明顯，如圖3所示，但是其電滯洄線的變形卻非常有限，如圖4所示。有文獻報道了不同鎂摻雜量的BST無鉛鐵電薄膜的漏電流對比情況。從圖1中可以看出，對于不同的摻雜量，其漏電流變化很小，不能有效降低漏電流。也有文獻報道了摻鎂的BST無鉛鐵電薄膜在不同對火溫度下漏電流的對比情況。從圖2中我們可以看出，對于不同的對火溫度，薄膜的漏電流雖有一定降低，但是其減小量有限，并且變化趨勢也不一致，退火溫度為650°C時其漏電流在電場較低時高于退火溫度為750°C的薄膜，而在高電場時其漏電流又低于退火溫度750°C的薄膜。通過表1我們可以看出幾種不同處理方法的效果。表1:<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>圖1為不同鎂摻雜量BST鐵電薄膜漏電流的對比圖；圖2為不同退火溫度下BSMT鐵電薄膜漏電流的對比圖；圖3為不同輻照劑量下BNT鐵電薄膜漏電流的對比圖，對應于實施例1和實施例4；圖4為不同輻照總劑量下BNT鐵電薄膜電滯回線的對比圖，對應于實施例1和實施例4；圖5為不同輻照總劑量下BNT鐵電薄膜介電常數的對比圖。具體實施例方式以下實施例旨在說明本發(fā)明而不是對本發(fā)明的進一步限定，本發(fā)明可以按
發(fā)明內容所述的任一方式實施。實施例1(1)、用電子天平，按照Bi和Nd的摩爾比為3.150.85分別稱取硝酸鉍(過量4%)1.6051g和醋酸釹0.2734g，然后加入冰醋酸溶劑，在常溫下磁攪拌至全溶，形成硝酸鉍、醋酸釹混合溶液。按照Bi、Nd和Ti的摩爾比為3.150.853，稱取鈦酸丁酯1.0313g，徐徐加入到上述混合溶液中，然后加入冰醋酸和乙二醇甲醚溶劑(其摩爾比為11)，持續(xù)攪拌2h，得到0.05mol/L的前軀體溶液20ml，靜置7天后，過濾得到清澈透明淡紫色的Bi3.15NdQ.85Ti3012前軀體溶液。將前軀體溶液涂覆在Pt/Ti/Si02/Si襯底上，采用旋涂工藝，利用勻膠機，先低速離心甩膠，轉速為500rpm，時間為5s；再高速離心勻膠，轉速為3500rpm，時間為45s，形成一層濕膜。將濕膜置于快速熱處理爐中進行烘干，升溫速率為10°C/s，烘干溫度為150°C，時間為5min；將烘干的薄膜進行熱分解，升溫速率為10°C/s，熱分解溫度為450°C，時間為5min。將上述步驟重復六次，形成非晶薄膜。最后將非晶薄膜在700°C，空氣氛圍中進行結晶退火，升溫速率為10°C/s，退火時間為5min，從而得到Bi3.15Nda85Ti3012無鉛鐵電薄膜。(2)、在室溫環(huán)境下，利用ELV-8型電子加速器(最高加速電壓2Mev，最大輸出電流40mA)進行輻照。輻照方式加速器單面靜態(tài)輻照，自動控制劑量。首先加速器參數設置能量為l.OMev，將待輻照的薄膜樣品固定在電子引出窗正下方20厘米處的吸熱靶上，然后設定開機參數輻照電子能量為1.OMeV,加速器穩(wěn)定輸出束流0.2mA,輻照總劑量IOMrad(Si)，輻照參數為50mA.S。實施例2(1)、制備無鉛鐵電薄膜，步驟與實例一相同。(2)、用鈷60衰變產生的伽馬射線作為輻照源，射線能量為1.33MeV，在室溫環(huán)境下，對制備的摻釹鈦酸鉍無鉛鐵電薄膜進行輻照，輻照總劑量為40Mrad。輻照后，便得到漏電流降低的鐵電薄膜。實施例3(1)、制備無鉛鐵電薄膜，步驟與實例一相同。(2)、用鈷60衰變產生的伽馬射線作為輻照源，射線能量為1.33MeV，在室溫環(huán)境下，對制備的摻釹鈦酸鉍無鉛鐵電薄膜進行輻照，輻照總劑量為70Mrad。輻照后，便得到漏電流降低的鐵電薄膜。實施例4(1)、制備無鉛鐵電薄膜，步驟與實例一相同。(2)、用鈷60衰變產生的伽馬射線作為輻照源，射線能量為1.33MeV，在室溫環(huán)境下，對制備的摻釹鈦酸鉍無鉛鐵電薄膜進行輻照，輻照總劑量為lOOMrad。輻照后，薄膜的漏電流發(fā)生明顯的降低。雖然本文結合優(yōu)選的方案描述了本發(fā)明，但應理解本發(fā)明不限于此，可在形式和細節(jié)上進行各種改變而不背離本發(fā)明的宗旨和范圍。權利要求一種提高無鉛鐵電薄膜性能的方法，其特征在于在室溫環(huán)境下，用載能粒子束對無鉛鐵電薄膜進行輻照，輻照總劑量為10Mrad-100Mrad。2.根據權利要求1所述的提高無鉛鐵電薄膜性能的方法，其特征在于，所述輻照總劑量IOOMrad03.根據權利要求1所述的提高無鉛鐵電薄膜性能的方法，其特征在于，所述載能粒子束包括帶電粒子或伽馬射線。4.根據權利要求1所述的提高無鉛鐵電薄膜性能的方法，其特征在于，所述無鉛鐵電薄膜包括摻釹的鈦酸鉍無鉛鐵電薄膜。5.根據權利要求1或4所述的提高無鉛鐵電薄膜性能的方法，其特征在于，所述無鉛鐵電薄膜的襯底是Pt/Ti/Si02/Si。6.一種無鉛鐵電薄膜，其特征在于，其是由權利要求1所述的方法制備得到的。全文摘要本發(fā)明公開了一種提高無鉛鐵電薄膜性能的方法及其制備的無鉛鐵電薄膜。具體涉及無鉛鐵電薄膜領域的一種利用電離輻照效應來減低無鉛鐵電薄膜漏電流的方法及其得到的無鉛鐵電薄膜。其是在室溫下，使用帶電粒子或者伽馬射線等載能粒子束對無鉛鐵電薄膜進行輻照，其輻照總劑量為10Mrad-100Mrad，輻照后便得到漏電流降低的鐵電薄膜。這對提高鐵電存儲器工作的穩(wěn)定性和使用壽命，降低發(fā)熱量有著重要的意義。文檔編號C04B41/80GK101798239SQ20101013980公開日2010年8月11日申請日期2010年4月6日優(yōu)先權日2010年4月6日發(fā)明者周益春,時群吉,馬穎申請人:湘潭大學