鈮酸鋰薄膜制備及其性能表征調(diào)研報告

鋸酸鋰薄膜制備及其性能表征調(diào)研報告最近，LiNbO3薄膜表現(xiàn)出很大的潛力應(yīng)用于光子技術(shù)等等已經(jīng)開發(fā)了用于制造域控制的技術(shù)LiNbO3晶體結(jié)構(gòu)特別是在薄膜。TM已經(jīng)指出單結(jié)晶的LiNbO3膜不是必需的聲學(xué)和光學(xué)應(yīng)用，因?yàn)樗亲銐虻墨@得c取向的薄膜以創(chuàng)建單個d33系數(shù)。鋸酸鋰具有優(yōu)良的壓電、電光、聲光和熱電等性質(zhì)，成為電光裝置和聲表面裝置的首選材料之一。目前主要用來制造光波導(dǎo)、光調(diào)制器及聲表面波(SAW)裝置。鋸酸鋰之所以是重要的鐵電材料，還因?yàn)樗哂幸恍┆?dú)特的性質(zhì)，諸如有很高的自發(fā)極化強(qiáng)度、很高的居里溫度(1210C)及很大的雙折射值。由于在集成光學(xué)裝置的大量需求，使得銅酸鋰的研究非?；钴S。LiNbO3薄膜的制備方法很多，其中包括:電子束蒸鍍法、濺射法(sputtering)、脈沖激光沉積法(PLD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和溶膠-凝膠法(Sol-gel),Pechini法。a.濺射法(sputtering)目前濺射法應(yīng)用比較廣泛，它利用高速運(yùn)動的惰性氣體離子反靶面上的離子轟擊下來后再沉積到襯底(加熱或不加熱)。為了改善薄膜層的質(zhì)量和均勻性，常常采用高頻等離子放電并用磁場加以控制(射頻磁控濺射)。濺射法靶材有燒結(jié)陶瓷、陶瓷粉末和復(fù)合金屬(反應(yīng)濺射)或多金屬靶(多元靶濺射或反應(yīng)共濺射)。陶瓷靶壽命較長，薄膜的均勻性和一致性較好，但化學(xué)成分比較難調(diào)整。粉末靶容易調(diào)整化學(xué)計量比，也能得到很好的薄膜質(zhì)量。濺射靶也可以直接采用金屬元素，利用可轉(zhuǎn)換的單一金屬靶，輪流按時間序列進(jìn)行濺射，改變各靶的濺射時間可調(diào)整薄膜的組成。近年來正在發(fā)展且很有希望的制備技術(shù)是反應(yīng)共濺射,即采用多個金屬靶同時進(jìn)行濺射，并分別改變各靶的濺射條件以獲得較好的制膜結(jié)果。采用金屬靶制備薄膜需要在濺射時充入氧氣,以生成氧化物，故稱為反應(yīng)濺射。濺射法制備LiNbO3薄膜，靶材一般用LiNbO3陶瓷或鋰、銀兩種金屬元素。后者將兩金屬以一定方式分布在可旋轉(zhuǎn)的圓盤上,改變各元素所占面積以調(diào)整薄膜的化學(xué)組成。靶材直徑約60mm,靶材與襯底的距離約30?50mm。襯底一般選用SiO2Si、LiTaO3>a-AI2O3等。視情況控制適合的濺射氣體總壓（?1.0Pa）>氧氣分壓（?0.1Pa）o襯底溫度常在1509?650c范圍內(nèi)調(diào)整。靶功率密度一般為1.5?2Wcm2,沉積速度為2?5nmmin。濺射法是微電子技術(shù)中適用的一種方法。濺射技術(shù)是比較成熟的技術(shù),適用性較廣,可制備多種薄膜材料。濺射法的缺點(diǎn)是:①濺射靶因使用時間的增加而鈍化和老化，從而使薄膜的化學(xué)計量比改變;②薄膜生長速度較慢;③難以在大面積的襯底上生長高質(zhì)量的薄膜;④薄膜的顯微結(jié)構(gòu)及組分均勻性有待改進(jìn)。b.PLD法是采用高功率的脈沖激光器產(chǎn)生脈沖照射靶材,在極短的時間內(nèi)使靶材揮發(fā)沉積在所要求的襯底上。這種技術(shù)曾用來制備高臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc）超導(dǎo)薄膜。PLD法制備UNbO3薄膜要求靶材的成分與薄膜相同。調(diào)定脈沖激光器和指標(biāo)值（脈沖波長、單脈沖能量、脈寬、脈沖頻率等。），選定合適的襯底，襯底溫度一般在1509?6509之間靶面與襯底的距離可控制在3?5cm范圍內(nèi)，注意調(diào)整合適的靶與脈沖激光束間的夾角及靶旋速度。為防止沉積過程中缺氧，應(yīng)向沉積腔內(nèi)充入流動的氧氣等氣體，氣體壓力控制在10~30Pa之間，視實(shí)際需要控制合適的沉積速度(0.3?l.Onmmin)及沉積時間(?lh)oPLD法的優(yōu)點(diǎn)是:①沉積效率高，可制備很厚的膜材;②可降低襯底溫度;③能保持較好的薄膜的化學(xué)計量組成;④膜的取向性好，可生長外延膜。缺點(diǎn)是:①難以制備大面積均勻薄膜;②碎片會損傷薄膜表面。c.MOVCD法是用載氣攜帶金屬有機(jī)物(先驅(qū)體)的蒸氣進(jìn)入反應(yīng)室并受熱分解沉積到加熱的基片上形成薄膜。MOVCD法問世時間不長，已顯示出強(qiáng)大的生命力。MOCVD法制備LiNbO3薄膜的源物質(zhì)主要是Li(THD)、Nb(THD)4o薄膜襯底有LiTaO3>a-AI2O3等,薄膜的沉積溫度5009?7009，反應(yīng)室總壓控制在133.322—266.644Pa,氣體流速:1000?3000sccm(02)>300~900sccm(Ar),填料速率:0.5~3.0mmmin,薄膜生長速率為：|.5nmmin。MOCVD法的優(yōu)點(diǎn)是：①薄膜組分控制精確；②薄膜生長速率快(可達(dá)10~50nmmin);③襯底溫度較低仕6009)；④可在非平面基片上生長，直接制備圖案器件;⑤易于擴(kuò)大規(guī)模和商業(yè)化。缺點(diǎn)是:①不容易找到合適的源物質(zhì);②源物質(zhì)揮發(fā)溫度較高，毒性較大。pechini法：是基于某些弱酸與某些陽離子能形成螯合物。主要是利用檸檬酸(CitricAcid)及乙二醇(EG)形成網(wǎng)狀高分子來穩(wěn)定金屬離子，再將此高分子經(jīng)熱處理形成所要的產(chǎn)物,均勻的化學(xué)組成與檸檬酸與金屬離子的莫耳比有關(guān)，慎選所使用的起始鹽類，并需注意系統(tǒng)的酸堿值.避免金屬離子因過飽和而結(jié)晶出來，特別是含硝酸鋸及硝酸鋼的溶液系統(tǒng)極易因含過量硝酸根而析出，避免上述的現(xiàn)象可利用氨水調(diào)整系統(tǒng)的酸堿度.溶液中盡可能不要使用硝酸溶解金屬化合物，過量硝酸與乙二醇反應(yīng)成草酸，而草酸極易與金屬離子形成難溶性鹽類而沉淀出來?因此，一般可使用醋酸鹽或碳酸鹽替代硝酸鹽做為起始反應(yīng)物。B.實(shí)驗(yàn)步驟主要試劑：Nb2O5>KOH、氨水、檸檬酸(CA)、LiC03、乙二醇(EG)、去離子水(-)制備Nb-檸檬酸配合物秤取1.0046gNb205和l.0528gKOH,將藥品混合、研磨、攪拌均勻；將上述藥品在450c下煨燒3h；將煨燒后得到的藥瓶放入塑料燒杯中，加入去離子水，攪拌后靜置,后取上層無色透明的清液；往清液中加入適量的醋酸(CH3co0H),使溶液中產(chǎn)生大量沉淀；將沉淀進(jìn)行清洗，加入硝酸(HNO3)使溶液PHv3，攪拌均勻，然后進(jìn)行離心取沉淀，離心4次，最后一次用酒精離心；將離心得到的沉淀物加入3.6288g的檸檬酸溶液；往上述溶液中滴加2.0563g30%的過氧化氫(H2O2)溶液，然后在609下攪拌lOmin,得到黃色透明的Nb-檸檬酸配合物。(二)LiNbO3的制備秤取5g的Nb-檸檬酸配合物加入燒杯中，加入1.1725gLiC03,使之溶解；按物質(zhì)的量Li:Nb=l:l)后加入過量的檸檬酸(20.16g),使金屬離子與CA物質(zhì)的量的比為1:3；用氨水調(diào)節(jié)溶液PH值至中性，然后向溶液中加入13.02g乙二醇(EG),使CA與EG物質(zhì)的量的比為1:2,均勻攪拌后得到淡黃色透明