溶胶凝胶法制备两相复合渗流型高性能电介质薄膜及其形成机理研究

随电子信息技术发展，器件小型化和薄膜材料超高性能化越来越重要。作为一类最常用的铁电介电薄膜材料，同样面临着超高性能化的难题。本项目以电子器件小型化为目标，提出在薄膜中引入渗流效应概念，在薄膜的超高性能化方面提出了全新的研究思路。项目利用渗流基本理论，提出渗流型超高介电性能薄膜新概念。通过溶胶凝胶法形成纳米导电相/介电相复相结构，在薄膜中"三维方向"上原位控制成功形成粒径为2~3nm并均匀分散的导电纳米相，在薄膜中实现渗流效应；并通过在膜层中引入高阻薄层抑制电荷输运的思想，制备低损耗渗流型薄膜。为获得既具超高介电常数又具低损耗的高性能薄膜提供了新的研究思路，且目前已取得了重要结果。本项目将通过探索有关导电纳米相对铁电薄膜材料性能的影响规律，建立导电纳米相协同增强薄膜性能的理论和实验新体系，掌握渗流型薄膜的超高性能化产生及作用机理，对推动铁电、介电薄膜材料的高性能化和器件小型化将起到重要的作用

针对铁电、介电薄膜材料超高性能化面临的难题。本研究以电子器件小型化为目标，提出在高温烧结薄膜中引入渗流效应概念，设计在薄膜中“三维方向”上控制形成粒径为几纳米并均匀分散的导电纳米相，以此获得了超高性能渗流型纳米导电相/介电相复相薄膜。.本研究具体采用溶胶凝胶镀膜技术，通过原位合成的方法将纳米银颗粒成功引入到(Pb0.4Sr0.6)TiO3，PbTiO3， (Ba0.65，Sr0.35)TiO3，Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 和BiFeO3 等薄膜中，其中以不同络合剂络合Ti4+和 Ag+，一则促进形成致密化，二则将Ag+钉扎在网络中，以在成膜时高效抑制银离子扩散团聚以促使形成纳米银；另一方面，还利用银和铅形成低熔点Ag-Pb 合金的特点，通过引入过量铅，使其与Ag 先形成稳定的Ag-Pb 合金过渡相，再巧妙控制银-铅比控制合金熔点，使其在薄膜烧结形成过程中再次分解形成银纳米相。最终都可获得渗流型纳米银/钙钛矿复相薄膜材料。.进一步，在如渗流型PST 薄膜中引入高阻的纯钙钛矿相阻隔层，阻止电荷载流子的输运以降低耗损。成功制备了既有高介电常数又有低损耗的渗流型薄膜。其次还研究了相关介电薄膜的取向形成、控制和规律，以此提高了性能。.目前制备的纳米银-钙钛矿相复合薄膜的介电常数是相应高阻纯薄膜的4~5 倍，具有中间阻隔层的薄膜损耗下降50%。研究取得了显著进展，对推动铁电、介电薄膜高性能化和器件小型化具有重要作用。