一种新型的具有较低漏电的多层结构

摘要

本发明通过构筑多层结构的过渡层来达到降低薄膜漏电流的目的。构筑的多层结构基底层选用Pt片，过渡层材料为Sr2Bi4Ti5O18，薄膜层材料为BiFeO3和Sr2Bi4Ti5O18。一方面Sr2Bi4Ti5O18材料本身具有较小的漏电特性，组成多层结构之后，阻断了载流子在BiFeO3薄膜和Pt电极间的移动，使得比直接沉积在ITO上BiFeO3薄膜的漏电流小；另一方面Sr2Bi4Ti5O18和BiFeO3两相的界面处特殊的接触状态，也抑制了薄膜载流子的运动，使得比直接沉积在ITO上BiFeO3薄膜的漏电流小。

权利要求

1.一种用于铁电存储器件的新型具有较低漏电的多层结构，其特征在于：它包括由下至上依次设置衬底层（1）、过渡层（2）、薄膜层（3），所述过渡层（2）材料为Sr2Bi4Ti5O18，所述的薄膜层（3）材料为BiFeO3和Sr2Bi4Ti5O18。

2.根据权利要求1中所述的用于铁电存储器件的新型具有较低漏电的多层结构，其特征在于：所述衬底层（1）材料为Pt/Ti/SiO2/Si（100）。

3.根据权利要求1中所述的用于铁电存储器件的新型具有较低漏电的多层结构，其特征在于：所述过渡层（2）材料为Sr2Bi4Ti5O18；材料具有较低的漏电流，较低的矫顽场强，较强的抗疲劳特性等优点。

说明书

一种新型的具有较低漏电的多层结构

技术领域

[0001] 本发明属于电子陶瓷技术领域，具体涉及一种用于铁电存储器件的新型具有较低漏电流的多层结构及其制备方法。

背景技术

[0002] BiFeO3是一种集铁电性和铁磁性于一体的单相多铁材料，室温下具有铁电有序和反铁磁有序，且铁电性和铁磁性之间存在耦合效应。BiFeO3的理论剩余极化强度很高，而结晶温度较低，这些使得BiFeO3在高温信息存储、传感器和微机电系统等多功能器件中有巨大的应用价值。

[0003] 纯相BiFeO3薄膜的制备温度范围很窄，烧结过程中不可避免的出现Bi2O3、Bi2Fe4O9等杂相，同时高温下的Bi元素容易挥发和Fe3+容易变价成为Fe2+，这都会导致大量氧空位使BiFeO3样品的漏电流密度很大。由于漏电流严重，施加在BiFeO3 薄膜上的有效电场就会很小，导致铁电畴无法翻转，甚至在很低的电压下材料就被击穿，无法显示其优良的铁电性能。

[0004] 目前改善BiFeO3薄膜性能的方法主要有控制薄膜取向、元素掺杂，构筑多层结构等。现有的构筑多层结构的研究中所选用的过渡层与所制备的薄膜样品的失配度很小，构筑多层结构时过渡层的厚度较大，这将降低施加在BiFeO3基薄膜上的有效电场强度。因此，需要寻找一种有效降低薄膜漏电流，构筑多层结构的过渡层材料。而Sr2Bi4Ti5O18材料具有较低的漏电流，与BiFeO3的失配度较小。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种与BiFeO3失配度较小，厚度较小，能够有效降低BiFeO3薄膜漏电性能的过渡层材料，构筑多层结构。

[0006] 本发明的技术方案为：一种新型的具有较低漏电流的多层结构，它包括由下至上依次设置基底层、过渡层、BiFeO3层和Sr2Bi4Ti5O18层，基底层选用Pt片，过渡层材料为Sr2Bi4Ti5O18，薄膜层材料为BiFeO3和Sr2Bi4Ti5O18。

[0007] 本发明中所述的用于铁电存储器件的新型具有较低漏电流的多层结构中Sr2Bi4Ti5O18过渡层和薄膜层前驱体溶液的制备工艺，以硝酸铋，乙酸锶，乙二醇，乙酰丙酮，钛酸四丁酯为原料，采用溶胶-凝胶法合成，具体步骤如下：（1）以钛酸四丁酯和乙酰丙酮按照体积比为1:1的比例配制A溶液：钛酸四丁酯乙酰丙酮缓缓滴入乙酰丙酮溶液中，将混合好的溶液继续搅拌24小时，得到澄清黄褐色透明的A溶液；
（2）称量1.2g乙酸锶、5.9g硝酸铋、18.8ml乙二醇，将三者充分混合，放置在多头磁力搅拌器上搅拌24小时，得到透明的B溶液；
（3）将B溶液缓缓加入到A溶液中，将混合后的溶液充分搅拌24小时，得到淡黄色的溶液C；
（4）将C溶液静置24小时，得到Sr2Bi4Ti5O18前驱体溶液。

[0008] 本发明中所述的用于铁电存储器件的新型具有较低漏电流的多层结构中BiFeO3层前驱体溶液的制备工艺，以硝酸铋，硝酸铁，冰乙酸，乙酰丙酮，乙二醇为原料，采用溶胶-凝胶法合成，具体步骤如下：（1）首先称量9.2g硝酸铋，量取5ml乙二醇、15ml冰乙酸作为溶剂充分混合，放置在多头磁力搅拌器上充分搅拌8小时，得到透明溶液；
（2）量取40ml乙酰丙酮加入到（1）中得到的透明溶液中，称量7.4g硝酸铁也加入到（1）中得到的透明溶液中。在多头磁力搅拌器上搅拌24小时得到暗红色半透明BiFeO3前驱体溶液；
（3）将前驱体溶液常温下静置24小时。

[0009] 本发明中所述的用于铁电存储器件的新型具有较低漏电流的多层结构的制备工艺，具体步骤如下：（1）将过渡层Sr2Bi4Ti5O18前驱体溶液均匀的旋涂在Pt/Ti/SiO2/Si（100）衬底上，继而放到200℃不锈钢电热板上烘干2-3min；
（2）将初步烘干的薄膜样品放在快速退火炉中350℃保温180s后继续加热到700℃保温
300s；
（3）重复上述步骤（1）-（2）多次，直到得到一定厚度的过渡层；
（4）将BiFeO3前驱体溶液均匀的旋涂在过渡层上，继而放到200℃不锈钢电热板上烘干
2-3min；
（5）将初步烘干的薄膜样品放在快速退火炉中350℃保温180s后继续加热到500℃保温
300s；
（6）重复上述步骤（3）-（4）多次，直到得到一定厚度的BiFeO3薄膜层；
（7）将Sr2Bi4Ti5O18前驱体溶液均匀的旋涂在BFO薄膜层上，继而放到200℃不锈钢电热板上烘干2-3min；
（8）将初步烘干的薄膜样品放在快速退火炉中350℃保温180s后继续加热到700℃保温
300s；
（9）重复上述步骤（7）-（8）多次，直到得到一定厚度的Sr2Bi4Ti5O18薄膜层。

[0010] 本发明用于铁电存储器件的新型具有较低漏电流的多层结构，较现有的结构具有以下的优点：1、过渡层选用的Sr2Bi4Ti5O18材料本身具有较小的漏电特性，组成多层结构之后，阻断了载流子在BiFeO3薄膜和Pt电极间的移动，使得比直接沉积在ITO上BiFeO3薄膜的漏电流小；
2、Sr2Bi4Ti5O18和BiFeO3两相的界面处特殊的接触状态，也抑制了薄膜载流子的运动，使得比直接沉积在ITO上BiFeO3薄膜的漏电流小。

附图说明

[0011] 附图1为本发明中沉积到130nm厚Sr2Bi4Ti5O18过渡层的BiFeO3-Sr2Bi4Ti5O18薄膜和直接沉积到ITO上BiFeO3薄膜漏电流密度曲线图。

[0012] 附图2为本发明中沉积到260nm厚Sr2Bi4Ti5O18过渡层的BiFeO3-Sr2Bi4Ti5O18薄膜和直接沉积到ITO上BiFeO3薄膜漏电流密度曲线图。

[0013] 附图3为本发明中沉积到390nm厚Sr2Bi4Ti5O18过渡层的BiFeO3-Sr2Bi4Ti5O18薄膜和直接沉积到ITO上BiFeO3薄膜漏电流密度曲线图。

具体实施方式

[0014] 实施案例1（1）本发明中所述的用于铁电存储器件的新型具有较低漏电流的多层结构中Sr2Bi4Ti5O18过渡层和薄膜层前驱体溶液的制备工艺，以硝酸铋，乙酸锶，乙二醇，乙酰丙酮，钛酸四丁酯为原料，采用溶胶-凝胶法合成，具体步骤如下：以钛酸四丁酯和乙酰丙酮按照体积比为1:1的比例配制A溶液：钛酸四丁酯乙酰丙酮缓缓滴入乙酰丙酮溶液中，将混合好的溶液继续搅拌24小时，得到澄清黄褐色透明的A溶液；称量1.2g乙酸锶、5.9g硝酸铋、
18.8ml乙二醇，将三者充分混合，放置在多头磁力搅拌器上搅拌24小时，得到透明的B溶液；
将B溶液缓缓加入到A溶液中，将混合后的溶液充分搅拌24小时，得到淡黄色的溶液C；将C溶液静置24小时，得到Sr2Bi4Ti5O18前驱体溶液。

[0015] （2）本发明中所述的用于铁电存储器件的新型具有较低漏电流的多层结构中薄膜层BiFeO3前驱体溶液的制备工艺，以硝酸铋，硝酸铁，冰乙酸，乙酰丙酮，乙二醇为原料，采用溶胶-凝胶法合成，具体步骤如下：首先称量9.2g硝酸铋，量取5ml乙二醇、15ml冰乙酸作为溶剂充分混合，放置在多头磁力搅拌器上充分搅拌8小时，得到透明溶液；量取40ml乙酰丙酮加入到上文中得到的透明溶液中，称量7.4g硝酸铁也加入上文中得到的透明溶液中。在多头磁力搅拌器上搅拌24小时得到暗红色半透明BiFeO3溶液；将溶液常温下静置24小时得到BiFeO3的前驱体溶液。

[0016] （3）本发明中所述的用于铁电存储器件的新型具有较低漏电流的多层结构的制备工艺，具体步骤如下：将Sr2Bi4Ti5O18过渡层前驱体溶液均匀的旋涂在Pt片基底上，继而放到200℃不锈钢电热板上烘干2-3min；将初步烘干的薄膜样品放在快速退火炉中350℃保温
180s后继续加热到700℃保温300s，重复上述步骤得到130nm厚的过渡层；将BiFeO3前驱体溶液均匀的旋涂在过渡层上，继而放到200℃不锈钢电热板上烘干2-3min；将初步烘干的薄膜样品放在快速退火炉中350℃保温180s后继续加热到500℃保温300s；重复上述步骤得到直到得到一定厚度的BiFeO3薄膜层；将Sr2Bi4Ti5O18薄膜层前驱体溶液均匀的旋涂在BiFeO3薄膜层上，继而放到200℃不锈钢电热板上烘干2-3min；将初步烘干的薄膜样品放在快速退火炉中350℃保温180s后继续加热到700℃保温300s，重复上述步骤得到1000nm厚的BiFeO3-Sr2Bi4Ti5O18薄膜层。

[0017] 实施案例2（1）本发明中所述的用于铁电存储器件的新型具有较低漏电流的多层结构中Sr2Bi4Ti5O18过渡层和薄膜层前驱体溶液的制备工艺，以硝酸铋，乙酸锶，乙二醇，乙酰丙酮，钛酸四丁酯为原料，采用溶胶-凝胶法合成，具体步骤如下：以钛酸四丁酯和乙酰丙酮按照体积比为1:1的比例配制A溶液：钛酸四丁酯乙酰丙酮缓缓滴入乙酰丙酮溶液中，将混合好的溶液继续搅拌24小时，得到澄清黄褐色透明的A溶液；称量1.2g乙酸锶、5.9g硝酸铋、
18.8ml乙二醇，将三者充分混合，放置在多头磁力搅拌器上搅拌24小时，得到透明的B溶液；
将B溶液缓缓加入到A溶液中，将混合后的溶液充分搅拌24小时，得到淡黄色的溶液C；将C溶液静置24小时，得到Sr2Bi4Ti5O18前驱体溶液。

[0018] （2）本发明中所述的用于铁电存储器件的新型具有较低漏电流的多层结构中BiFeO3薄膜层前驱体溶液的制备工艺，以硝酸铋，硝酸铁，冰乙酸，乙酰丙酮，乙二醇为原料，采用溶胶-凝胶法合成，具体步骤如下：首先称量9.2g硝酸铋，量取5ml乙二醇、15ml冰乙酸作为溶剂充分混合，放置在多头磁力搅拌器上充分搅拌8小时，得到透明溶液；量取40ml乙酰丙酮加入到上文中得到的透明溶液中，称量7.4g硝酸铁也加入上文中得到的透明溶液中。在多头磁力搅拌器上搅拌24小时得到暗红色半透明BiFeO3溶液；将溶液常温下静置24小时得到BiFeO3的前驱体溶液。

[0019] （3）本发明中所述的用于铁电存储器件的新型具有较低漏电流的多层结构的制备工艺，具体步骤如下：将Sr2Bi4Ti5O18过渡层前驱体溶液均匀的旋涂在Pt片基底上，继而放到200℃不锈钢电热板上烘干2-3min；将初步烘干的薄膜样品放在快速退火炉中350℃保温
180s后继续加热到700℃保温300s，重复上述步骤得到260nm厚的过渡层；将BiFeO3前驱体溶液均匀的旋涂在过渡层上，继而放到200℃不锈钢电热板上烘干2-3min；将初步烘干的薄膜样品放在快速退火炉中350℃保温180s后继续加热到500℃保温300s；重复上述步骤得到直到得到一定厚度的BiFeO3薄膜层；将Sr2Bi4Ti5O18薄膜层前驱体溶液均匀的旋涂在BiFeO3薄膜层上，继而放到200℃不锈钢电热板上烘干2-3min；将初步烘干的薄膜样品放在快速退火炉中350℃保温180s后继续加热到700℃保温300s，重复上述步骤得到1000nm厚的BiFeO3-Sr2Bi4Ti5O18薄膜层。

[0020] 实施案例3（1）本发明中所述的用于铁电存储器件的新型具有较低漏电流的多层结构中Sr2Bi4Ti5O18过渡层和薄膜层前驱体溶液的制备工艺，以硝酸铋，乙酸锶，乙二醇，乙酰丙酮，钛酸四丁酯为原料，采用溶胶-凝胶法合成，具体步骤如下：以钛酸四丁酯和乙酰丙酮按照体积比为1:1的比例配制A溶液：钛酸四丁酯乙酰丙酮缓缓滴入乙酰丙酮溶液中，将混合好的溶液继续搅拌24小时，得到澄清黄褐色透明的A溶液；称量1.2g乙酸锶、5.9g硝酸铋、
18.8ml乙二醇，将三者充分混合，放置在多头磁力搅拌器上搅拌24小时，得到透明的B溶液；
将B溶液缓缓加入到A溶液中，将混合后的溶液充分搅拌24小时，得到淡黄色的溶液C；将C溶液静置24小时，得到Sr2Bi4Ti5O18前驱体溶液。

[0021] （2）本发明中所述的用于铁电存储器件的新型具有较低漏电流的多层结构中薄膜层BiFeO3前驱体溶液的制备工艺，以硝酸铋，硝酸铁，冰乙酸，乙酰丙酮，乙二醇为原料，采用溶胶-凝胶法合成，具体步骤如下：首先称量9.2g硝酸铋，量取5ml乙二醇、15ml冰乙酸作为溶剂充分混合，放置在多头磁力搅拌器上充分搅拌8小时，得到透明溶液；量取40ml乙酰丙酮加入到上文中得到的透明溶液中，称量7.4g硝酸铁也加入上文中得到的透明溶液中。在多头磁力搅拌器上搅拌24小时得到暗红色半透明BiFeO3溶液；将溶液常温下静置24小时得到BiFeO3的前驱体溶液。

[0022] （3）本发明中所述的用于铁电存储器件的新型具有较低漏电流的多层结构的制备工艺，具体步骤如下：将Sr2Bi4Ti5O18过渡层前驱体溶液均匀的旋涂在Pt片基底上，继而放到200℃不锈钢电热板上烘干2-3min；将初步烘干的薄膜样品放在快速退火炉中350℃保温
180s后继续加热到700℃保温300s，重复上述步骤得到390nm厚的过渡层；将BiFeO3薄膜层前驱体溶液均匀的旋涂在过渡层上，继而放到200℃不锈钢电热板上烘干2-3min；将初步烘干的薄膜样品放在快速退火炉中350℃保温180s后继续加热到500℃保温300s；重复上述步骤得到直到得到一定厚度的BiFeO3薄膜层；将Sr2Bi4Ti5O18薄膜层前驱体溶液均匀的旋涂在BiFeO3薄膜层上，继而放到200℃不锈钢电热板上烘干2-3min；将初步烘干的薄膜样品放在快速退火炉中350℃保温180s后继续加热到700℃保温300s，重复上述步骤得到1000nm厚的BiFeO3-Sr2Bi4Ti5O18薄膜层。

[0023] 由于采用了上述结构方案，本发明用于铁电存储器件的新型具有较低漏电流的多层结构，相较现有的结构具有以下的优点：1、过渡层选用的Sr2Bi4Ti5O18材料本身具有较小的漏电特性，组成多层结构之后，阻断了载流子在BiFeO3薄膜和Pt电极间的移动，使得比直接沉积在ITO上BiFeO3薄膜的漏电流小；
2、Sr2Bi4Ti5O18和BiFeO3两相的界面处特殊的接触状态，也抑制了薄膜载流子的运动，使得比直接沉积在ITO上BiFeO3薄膜的漏电流小。