随着光电子信息技术的快速发展，对于电子元器件集成化、微型化的要求也在不断提高，特别是对于高性能光电薄膜的需求日益增长。钙钛矿结构光电薄膜，尤其是BaTiO₃（BTO，钛酸钡）薄膜，因其结构的特性可以对其掺杂改性，使其具有优异的介电性、压电性、热释电性以及非线性光电效应等较多的传感特性，可实现光电性能的提升、电能与机械能的转换、电能与热能的转换，在陶瓷电容器、电光调制器、生物传感器等薄膜器件中有着广泛的应用。不过，目前制备高质量的BTO薄膜是一项具有挑战性的任务，特别是在提高薄膜的均匀性、结晶度和减少氧空位缺陷方面，需要通过调整薄膜的工艺条件，来改善薄膜的综合性能。

（来源：光润真空）

一般来说，由于薄膜材料较薄，机械强度小，往往需要利用一定的方法将薄膜转移并附着在基片上，目前主要可通过磁控溅射法、脉冲激光沉积法、分子束外延法等物理法和溶胶-凝胶法、金属有机化学气相沉积法等化学制备：

一、磁控溅射法

磁控溅射法的基本原理是用利用阳极与阴极靶材之间形成强电场，使惰性气体（如氩气等）发生辉光放电，产生正离子和新的电子，正离子受到电场的作用加速飞向并轰击靶材表面，轰击出的靶材原子（或分子）由于收到相应的力而飞向基片表面，沉积形成薄膜。在这个过程中，产生的二次电子也受到电磁场的作用，能够改变其运动方向，并束缚和延长了其运动轨迹，延长了它们在基板附近的等离子体中的停留时间，不仅提高了电子对工作气体的电离概率，而且还有效地利用了电子的能量，使正离子对靶材轰击所 引起的靶材溅射更加有效。

（来源：网络）

磁控溅射法在微电子领域作为一种非热式镀膜技术，即使是钛酸钡这种高熔点的陶瓷材料，也能利用其在各种基材上实现高纯度、高致密性薄膜的原位制备，同时溅射形成的薄膜在均匀性、结晶性上表现出色，且与基板有着极好的附着力。除此之外，该技术还有沉积速率快，沉积效率高的优势，适合工业生产大规模应用，但目前仍存在成本高、工艺重复性较差。

二、脉冲激光沉积法

脉冲激光沉积其工作原理是利用高功率脉冲激光在靶材表面聚焦，由于激光的高温和烧蚀作用，靶材挥发产生羽状等离子体，等离子体会定向局域膨胀并向衬底转移，最终在衬底上逐层沉积成薄膜。

（来源：网络）

与磁控溅射法一样，脉冲激光沉积法同样具有沉积温度低、成膜组分可控、适用范围广的优势，可以在室温下原位生长取向一致的外延单晶膜，而且其相比磁控溅射法还更易操作，工艺参数易控制。不过，受激光束斑大小和粒子飞行路径的约束，制备出的薄膜均匀性较差，且一般只能用于制备只能制备小面积薄膜，难以实现量化生产。

三、分子束外延法

分子束外延法是利用含有所需成分元素的分子束直接喷射至基材表面，并发生相互作用，最终在衬底上外延出厚度均匀的薄膜。一般来说，该方法需要在10^-8～10^-9的超高真空环境下进行，不会受蒸发温度的影响，能够实现极高的层厚和掺杂浓度控制精度，制备的薄膜厚度可以控制在纳米级别，并且可以原位观测外延薄膜的具体情况。但也存在薄膜生长速度很慢以及对衬底要求高的缺点。

分子束外延技术原理（来源：网络）

四、溶胶凝胶法

溶胶-凝胶（Sol-gel）法也是一种可低温加工的工艺，其原理是将金属醇盐或者其它无机盐为原料配制得到前驱体再溶于相应的化学溶剂中，配置出均匀而透明的前驱体溶液，之后在一定温度下，溶质与溶剂产生水解或醇解反应，反应生成物聚集成几个纳米左右的粒子并形成稳定的溶胶。在制备薄膜时，需采用旋涂、提拉等操作方式将溶胶均匀地涂覆在基片表面，再经一段时间静置后，溶胶会发生胶凝化而变为凝胶，凝胶最终经过干燥热处理去除其中有机物在基材表面形成薄膜。

溶胶中粒子的变化过程示意图（来源：参考文献1）

使用钛酸钡四丁酯和醋酸钡为原料制备钛酸钡薄膜的原理（其中，Ti(OR)4为钛酸丁酯，HOAc为乙酸，HOR为有机醇。）

该工艺制备成本低，操作工艺简单，薄膜化学组成比较容易控制，可以实现大面积成膜的优点，目前人们在制备薄膜制品、 铁电材料、光电材料和超导材料等材料器件时，已经在大范围使用溶胶-凝胶法，具有很高的应用价值。 但由于采用涂覆的方式制备，导致薄膜均匀性较差，需要采用与薄膜热膨胀系数较为接近的基材，并控制溶胶的表面张力。

五、金属有机气相沉积法（MOCVD）

金属有机气相沉积法主要以III族或II族元素的有机化合物和V族或VI族元素的氧化物或氢化物等作为晶体生长的原材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长出各种III-V族或II-VI族的化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料，是制备铁电薄膜的一种湿法工艺

使用MOCVD法制备钛酸钡薄膜的主要优点是，制备速度快、能够准确地控制薄膜的成分，而且还可以一次制备面积大、均匀性良好的薄膜，适合在工厂中进行商业性的生产制备。不过由于原料和设备都很昂贵，限制了其应用，此外所采用的金属有机化合物通常毒性都很大

小结

钛酸钡基铁电薄膜因其独特的光电性能，在铁电材料向集成化发展的过程中发挥着重要的作用，在微电子和光电子领域具有广泛的应用潜力，因此制备高质量的钛酸钡薄膜具有重要重要意义。上述薄膜制备方法都有自己的优点及缺点，在实际的实验制备或者商业化制备过程中，根据需要综合考量这些制备技术，如制备成本，制备条件的安全性，制备技术是否达到技术要求等，选择最匹配的制备方法去制备。

参考文献：

张华.钛酸钡铁电薄膜异质结构电光特性研究[D].南京邮电大学.

庆达,王晓宇,苏新悦,等.钛酸钡薄膜制备及压电光催化研究进展[J].陶瓷学报.

董艺.BaTiO_3薄膜的制备及光电性能研究[D].桂林电子科技大学.

粉体圈整理