1.一种采用前驱体空间分隔式的自限制性表面吸附反应制备BiGaO3薄膜材料的方法,BiGaO3薄膜材料生长在衬底材料上,所述的衬底包括Si、LaNiO3/Si、Pt/TiO2/SiO2/Si、Pt/Ti/SiO2/Si、TiN、SiO2等,所述的BiGaO3薄膜材料的空间群为Pcca,晶格常数为a=5.626Å,b=5.081Å,c=10.339Å,所述的BiGaO3薄膜材料在所选择的衬底上生长得到的择优取向为(112);
其特征在于:
所述BiGaO3薄膜材料厚度小于500纳米;
采用前驱体时间分隔式的自限制性表面吸附反应得到,
所述表面吸附反应特指朗缪尔吸附机制的不可逆的化学吸附反应;
化学吸附反应在真空反应腔中进行,真空反应腔中包括有多个分隔空间,分别用于通入铋前驱体气体、镓前驱体气体、氧前驱体气体、惰性气体;
所有的气体管路中的气流在整个薄膜沉积过程中是持续不断通入的,且各管路的气流的流速、压力均保持恒定不变;
在真空反应腔中的各分隔空间的数量为4的倍数且不小于8;各分隔空间依次相邻并首尾衔接形成闭合环,托盘和衬底在这些分隔空间形成的气体氛围中运动;用于通入铋前驱体气体和镓前驱体气体的分隔空间的数量之和等于用于通入氧前驱体的分隔空间的数量,用于通入铋前驱体气体、镓前驱体气体和氧前驱体的分隔空间的数量之和等于用于通入惰性气体的分隔空间的数量;
所述分隔空间的排布规律如下:
在任意一个通入三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸)铋(III)气体或氧前驱体气体或三甲基镓气体的分隔空间的最邻近的一侧或两侧,都还具有一个或多个通入惰性气体的分隔空间,且在满足上述条件的情况下,在任意一个通入三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸)铋(III)气体或三甲基镓气体的分隔空间的次邻近侧,都还具有一个或多个通入氧前驱体气体的分隔空间;
所采用的铋前驱体为三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸)铋(III),镓前驱体为三甲基镓,氧前驱体气体可以是H2O、O2、O3其中任意一种,也可以是其中任意两种或三种的混合气体;所述“惰性气体”不仅仅指通常化学领域所指的惰性气体(氦气、氩气等),还包括在整个薄膜制备过程中不会与前驱体发生化学反应的其他气体,例如:氮气;
在整个薄膜生长过程中,所有前驱体气体均分别采用惰性气体进行输运;
该方法包括但不限于以下具体步骤:
A)将清洗洁净的衬底材料用惰性气体吹干,放置入衬底托盘中;
B)托盘连同衬底移入真空反应腔,开启真空泵对真空反应腔进行抽真空;
C)对真空腔进行加热,使真空腔中的托盘和衬底的温度在整个薄膜生长过程中维持在一个合适的温度窗口;
所选择的合适的温度窗口是指:在合适的温度范围内,即衬底的温度高于一个温度下限而低于一个温度上限,且前驱体气体供应的流速大于最低限值的情况下,薄膜的生长速率为一个基本恒定的值,薄膜的生长速率与前驱体气体供应的流速、载气即惰性气体的流速、前驱体的温度、衬底的温度、真空腔的分隔空间的真空度基本无关,当生长温度超出此温度窗口即低于温度下限或高于温度上限,薄膜的生长速率则会显著地增加或减小;
D)当真空腔温度恒定一段时间后,设定托盘连同衬底转动的圈数,真空反应腔的不同分隔空间分别通入惰性气体、三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸)铋(III)气体、氧前驱体气体以及三甲基镓气体;
E)衬底托盘带动衬底材料一起运动,在通入三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸)铋(III)的分隔空间、通入惰性气体的分隔空间、通入三甲基镓气体或其他镓前驱体气体的分隔空间、通入氧前驱体气体的分隔空间等四种分隔空间之间通过;
F)当托盘和衬底转动达到设定的圈数时,停止转动,薄膜厚度达到所需值,停止通入铋前驱体、镓前驱体、氧前驱体,继续通入惰性气体,停止托盘和衬底,停止真空腔的加热进行自然冷却;
G)真空腔达到或接近室温时,关闭真空泵,对真空反应腔进行充气使其气压达到一个大气压,取出已沉积得到BiGaO3薄膜材料的衬底;
H)将步骤G中得到的附着有BiGaO3薄膜材料的衬底,放入快速退火炉中,进行快速热退火处理,自然冷却后取出。
2.一种如权利要求1所述的制备BiGaO3薄膜材料的方法,其特征在于:铋前驱体也可以采用三苯基铋、三甲基铋、三叔丁醇基铋、三甲代甲硅烷基铋。
3.一种如权利要求1所述的制备BiGaO3薄膜材料的方法,其特征在于:镓前驱体也可以采用三乙基镓、三叔丁基镓。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的制备BiGaO3薄膜材料的方法,其特征在于:用于通入铋前驱体气体的分隔空间的数量与用于通入镓前驱体气体的分隔空间的数量按照如下原则进行分配:当托盘和衬底在这些分隔空间构成的闭合环中运动一周时,衬底上沉积得到的铋、镓的化学计量比接近于1:1,允许有10%以下的正误差,即铋、镓的化学计量比在1:1~1:1.1的范围内;过量的铋将在步骤H)中挥发而基本去除。
5.一种如权利要求4所述的制备BiGaO3薄膜材料的方法,其特征在于:在满足权利要求4所述要求的情况下,用于通入铋前驱体气体、镓前驱体气体的分隔空间在闭合环中尽可能地空间上均匀分布排列。
6.一种如权利要求1-3任一项所述的制备BiGaO3薄膜材料的方法,其特征在于:各个分隔空间的气压遵循下述规则:
通入惰性气体的分隔空间的气压必须大于邻近的通入铋前驱体气体、镓前驱体气体或氧前驱体气体的分隔空间的气压,允许通入惰性气体的分隔空间中的惰性气体有少量部分通过缝隙侵入到邻近的通入其他前驱体气体(即铋前驱体、镓前驱体、氧前驱体)的分隔空间,相反的情况则不允许发生,在此情况下,所述“少量”的涵义是指:尽管允许有少量惰性气体通过缝隙侵入到邻近的分隔空间,但仍然可以确保衬底每次经过铋前驱体气体、镓前驱体气体、氧前驱体气体氛围时,都可以分别使衬底表面完整地化学吸附一单分子层的铋前驱体分子、镓前驱体分子、氧前驱体分子。
7.一种如权利要求1-3任一项所述的制备BiGaO3薄膜材料的方法,其特征在于:托盘为圆盘状,并均匀地分布有多个浅槽以容纳衬底,浅槽的深度与衬底的厚度基本相同,以保证衬底在运动过程中不与其他部件发生磕碰。
8.一种如权利要求1-3任一项所述的制备BiGaO3薄膜材料的方法,其特征在于:托盘由电机驱动,带动衬底匀速地转动。
9.一种如权利要求7所述的制备BiGaO3薄膜材料的方法,其特征在于:
由控制系统来设定、控制托盘转动的圈数,由此来控制得到BiGaO3薄膜材料的厚度,所述控制系统可以是定制的专用电路,可以是由PLC(可编程逻辑控制器)构成,可以由FPGA(现场可编程门阵列)构成,也可以由CPLD(复杂可编程逻辑器件)构成,还可以是单片机构成,或是PC机;在薄膜沉积前预先设定托盘旋转的次数,当薄膜沉积开始后系统开始计数,托盘转过设定的圈数后,停止电机转动并停止通入各种前驱体气体。
10.一种如权利要求1所述的制备BiGaO3薄膜材料的方法,其特征在于:通入惰性气体的分隔空间的气压大于通入镓前驱体或铋前驱体或氧前驱体的分隔空间的气压。