用于TiO?薄膜的热氧化法制备的温度稳定的电介质

《Thin Solid Films》：Temperature-stable dielectrics for TiO 2 film prepared by thermal oxidation

钛热氧化薄膜的介电性能研究。800℃氧化制备的纯钛薄膜具有高比电容（45.8nF/cm2）、低介电损耗（<0.02）和近零温度系数（10ppm/°C），XRD和EDS分析表明其由锐钛矿相和氧扩散层共存结构构成，等效电路模型揭示电容稳定性机制。

　　

Xing Hu|ChengRui Wu|LinSheng Liu|Yi Li|ZhiYuan Ling

华南理工大学电子材料科学与工程系，中国广州

摘要

钛的热氧化膜已被应用和研究多年，但其介电性能仍不甚明了。在本研究中，纯钛在800°C下进行热氧化处理后可获得温度稳定的电容器，这些电容器具有较高的面电容（45.8 nF/cm2）、较低的介电损耗（<0.02）以及在100 kHz频率下几乎为零的温度系数（10 ppm/°C）。X射线衍射和能量色散光谱分析表明，根据氧化温度的不同，样品中同时存在金红石相和氧扩散层。通过复阻抗分析建立了等效电路模型。对样品进行的直流偏压和交流电压测试结果显示，其电容值在达到击穿电压之前几乎保持不变。

引言

二氧化钛薄膜因其在微电子、超级电容器和光催化等领域的广泛应用而受到越来越多的关注[[1], [2], [3]]。制备二氧化钛薄膜的方法多种多样，包括热氧化、阳极氧化、原子层沉积（ALD）和磁控溅射[[4], [5], [6]]。根据生长条件，二氧化钛通常以非晶态、锐钛矿相或金红石相的形式存在。其中，金红石相因其较高的介电常数[[7], [8], [9], [10], [11], [12]]而成为电容器材料的理想选择。在各种制备方法中，热氧化法因其简单性和低成本[[12], [13], [14]]而被广泛采用。然而，热氧化所得二氧化钛薄膜的物理性质，尤其是介电性能，仍不明确。

自1925年以来，多晶金红石就被用作高频电容器的介电材料，因为它具有较高的介电常数（约100）和较低的介电损耗（<0.001）[15]。然而，介电常数的较大负温度系数限制了金红石在电容器中的应用。关于金红石TiO?薄膜的介电常数温度系数，相关研究较少。已有研究表明，氧化物中的氧空位浓度对其介电性能的温度特性有显著影响[17]。当钛在600°C以上氧化时，总会形成氧扩散层（Ti?O）[13,18]，这可能影响介电常数的温度特性。本文通过特定温度下的氧化处理，获得了同时含有金红石相和Ti?O的介电薄膜，该薄膜不仅具有较高的面电容，还具有较低的介电损耗。

实验部分

实验方法

实验所用材料为商用纯钛箔（化学成分（重量百分比）：N：0.007；C：0.016；H：0.02；Fe：0.15；O：0.053；Ti：余量），厚度为0.1毫米。钛箔在空气中加热至所需温度（600-1000°C），加热时间为2小时，期间不进行保温处理。样品首先以5°C/分钟的冷却速率冷却至600°C，随后切断加热电源，让样品自然冷却至室温。

结果与讨论

图1显示了钛箔在空气中从600°C加热至1000°C后的XRD图谱。当样品加热至600°C时，XRD图谱主要显示α-Ti相（PDF编号：89-5009），同时存在少量氧扩散层Ti?O（如图中箭头所示[13,18]）。当样品加热至700°C时，观察到与金红石相对应的X射线峰。接近Ti峰的衍射峰被鉴定为Ti?O（PDF编号：73-1583）。实际上，这些衍射峰的准确归属较为复杂。

结论

本研究将钛在600-1000°C下进行热氧化处理。通过800°C热氧化纯钛制备出了温度稳定的电容器，该电容器具有较高的比电容、较低的介电损耗以及几乎为零的温度系数。通过XRD分析了氧化膜的相组成：当钛在600°C氧化时形成Ti?O（Ti?O）相；而在700-1000°C氧化时形成金红石相。同时确定了氧化膜的厚度。

作者贡献声明

Xing Hu：负责撰写初稿和正式分析。ChengRui Wu：负责实验研究、撰写及审稿编辑。LinSheng Liu：负责数据管理。Yi Li：负责实验方法的设计。ZhiYuan Ling：负责整体研究构思。

数据获取

数据可应要求提供。

作者贡献声明

Xing Hu：撰写初稿及进行正式分析。ChengRui Wu：撰写、审稿及编辑；负责实验研究。LinSheng Liu：负责数据管理。Yi Li：负责实验方法的设计。ZhiYuan Ling：负责整体研究构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了广东省重点领域研发计划（编号：2020B010176001）的支持。