專利名稱：一種(020)擇優(yōu)取向鈦酸鉍薄膜的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于薄膜材料領域。
背景技術：
鈦酸鉍(Bi4Ti3012)是一種性能優(yōu)異的鐵電材料，因其具有獨特的電學、 光學和光電子學性能，在現(xiàn)代微電子、微機電系統(tǒng)、信息存儲等方面有著廣闊 的應用前景。研究表明摻鑭的鈦酸鉍(Bi4.xLaxTi3012)很大程度上提高了鈦酸 鉍的鐵電性能，疲勞性能也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鐵電材料。但是由于大規(guī)模集成電 路的工藝溫度限制在500°C以下，而目前采用現(xiàn)有方法制備摻雜鈦酸鉍薄膜的 溫度大多數(shù)情況下仍在500°C以上，使得制備出的薄膜表面粗糙、無擇優(yōu)取向 性、鐵電性能差、致密度低、顆粒分布不均，制備工藝復雜、結(jié)晶溫度高且難 以控制的缺點。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有技術中制備Bi4_xLaxTi3012薄膜工藝復雜、結(jié) 晶溫度高、表面粗糙、無擇優(yōu)取向性、鐵電性能差、致密度低和顆粒分布不均 的問題，而提供一種(020)擇優(yōu)取向鈦酸鉍薄膜的制備方法。
一種(020)擇優(yōu)取向鈦酸鉍薄膜的制備方法步驟如下 一、將硝酸鑭和 次硝酸鉍的混合物與醋酸按1 : 10 80摩爾比混合，然后緩慢加入質(zhì)量百分比 濃度為99.0% 99.8%的乙二醇溶液，使溶液中鑭離子和鉍離子總和與乙二醇 的摩爾比為1:5 18，室溫攪拌8 12min，得溶液A; 二、將質(zhì)量百分比濃 度為99.0% 99.8%的乙二醇溶液緩慢加入鈦酸四丁酯中，使溶液中鉍離子與 乙二醇的摩爾比為1 : 5 18，室溫攪拌8 12min，得溶液B;三、將溶液A 和溶液B混合，室溫攪拌20 40min，得Bi4.xLaxTi3012溶膠；四、將Pt/Ti/Si02/Si 基片分別在丙酮和無水乙醇中超聲處理4 6min，干燥；五、將Bi4.xLaxTi3012 溶膠通過勻膠機旋涂到處理過的Pt/Ti/Si02/Si基片上，以1300 1700 r/min旋 涂10s,再以2800 3200r/min旋涂15s后在室溫條件下干燥4 6min，再置于 溫度為50 70。C條件下干燥20 40min，得薄膜C;六、將薄膜C放入580
620。C馬弗爐中焙燒8 12min后取出冷卻至室溫，得Bi4_xLaxTi3012薄膜；步 驟一中硝酸鑭和次硝酸鉍是按照Bi4-xLaJl30!2化學計量比稱取，其中0<X< 1。
本發(fā)明中Bi4.山axTi30n溶膠可進一步制備成Bi4.xLaJl30i2納米粉體，在 500。C開始生成鈣鈦礦相；Bi4.xLaxTi3012薄膜呈現(xiàn)(020)擇優(yōu)取向，且x=0.75 時薄膜的擇優(yōu)取向度最高。(020)擇優(yōu)取向?qū)⑻岣哞F電性能。本發(fā)明的優(yōu)點 是采用溶膠凝膠法制備Bi4.xLaxTi3012薄膜材料，工藝簡單、結(jié)晶溫度低、薄 膜致密度高、顆粒分布均勻、表面粗糙度小僅為5 10nm，且表現(xiàn)為(020) 擇優(yōu)取向性，并可在大面積或者任意形狀的基底上成膜，可得到厚度為80 300nm的薄膜，且這種薄膜鐵電性能優(yōu)越，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
圖1是具體實施方式
十一所得Bi3.25Lao.75Ti3012薄膜的XRD譜圖，圖2是具體實施方式
十一中所得813.2^%75113012薄膜薄膜的原子力顯微照片。
具體實施例方式
本發(fā)明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方 式間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式(020)擇優(yōu)取向鈦酸鉍薄膜的制備方法步
驟如下 一、將硝酸鑭和次硝酸鉍的混合物與醋酸按l : 10 80摩爾比混合，
然后緩慢加入質(zhì)量百分比濃度為99.0% 99.8%的乙二醇溶液，使溶液中鑭離 子和鉍離子總和與乙二醇的摩爾比為1 : 5 18，室溫攪拌8 12min，得溶液 A; 二、將質(zhì)量百分比濃度為99.0% 99.8%的乙二醇溶液緩慢加入鈦酸四丁 酯中，使溶液中鉍離子與乙二醇的摩爾比為1 : 5 18，室溫攪拌8 12min， 得溶液B;三、將溶液A和溶液B混合，室溫攪拌20 40min，得Bi4.xLaxTi3012 溶膠；四、將Pt/Ti/Si02/Si基片分別在丙酮和無水乙醇中超聲處理4 6min， 干燥；五、將Bi4-xLaxTi30u溶膠通過勻膠機旋涂到處理過的Pt/Ti/Si02/Si基片 上，以1300 1700r/min旋涂10s,再以2800 3200r/min旋涂15s后在室溫條 件下干燥4 6min，再置于溫度為50 7(TC條件下干燥20 40min，得薄膜C; 六、將薄膜C放入580 62(TC馬弗爐中焙燒8 12min后取出冷卻至室溫，得 Bi4-xLaxTi30!2薄膜；步驟一中硝酸鑭和次硝酸鉍是按照Bi4.xLaxTi3012化學計量
比稱取，其中0<乂<1。
本實施方式步驟三中得到的Bi4.xLaxTi30^溶膠，在6(TC下保溫2天后， 再置于IO(TC條件下形成干凝膠，然后以5tVmin的速度升溫到40(TC并保溫 lh，再升溫到50(TC或者600'C并再保溫lh，降到室溫后取出，得Bi4.xLaxTi3012
納米粉體。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一的不同是步驟一中將硝酸 鑭和次硝酸鉍的混合物與醋酸按1 : 40摩爾比混合，然后緩慢加入質(zhì)量百分比 濃度為99.5%的乙二醇溶液，使溶液中鑭離子和鉍離子總和與乙二醇的摩爾比 為1 : 10，室溫攪拌10min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一的不同是步驟二中將質(zhì)量 百分比濃度為99.5%的乙二醇溶液緩慢加入鈦酸四丁酯中，使溶液中鉍離子與 乙二醇的摩爾比為1 : 10，室溫攪拌10min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一的不同是步驟三中室溫攪 拌時間為30min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一的不同是步驟四中將 Pt/Ti/Si02/Si基片分別在丙酮和無水乙醇中超聲處理5min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一的不同是步驟五中以 1500r/min旋涂10s,再以3000r/min旋涂15s。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一的不同是步驟五中在室溫
條件下干燥5min，再置于溫度為6(TC條件下干燥30min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一的不同是步驟六中將薄膜 C放入60(TC馬弗爐中焙燒10min后取出冷卻至室溫。其它步驟及參數(shù)與具體 實施方式一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一的不同是步驟六可重復操 作2 10次。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
九的不同是步驟六可重復操 作6次。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
九相同。
具體實施方式
十一本實施方式(020)擇優(yōu)取向鈦酸鉍薄膜的制備方法 步驟如下 一、將硝酸鑭和次硝酸鉍的混合物與醋酸按1 : 40摩爾比混合，然 后緩慢加入質(zhì)量百分比濃度為99.5%的乙二醇溶液，使溶液中鑭離子和鉍離子 總和與乙二醇的摩爾比為1 : 10，室溫攪拌10min，得溶液A; 二、將質(zhì)量百 分比濃度為99.5%的乙二醇溶液緩慢加入鈦酸四丁酯中，使溶液中鉍離子與乙 二醇的摩爾比為l : 10，室溫攪拌10min，得溶液B;三、將溶液A和溶液B 混合，室溫攪拌30min，得Bi4.J^Ti3(^溶膠；四、將Pt/Ti/Si02/Si基片分別 在丙酮和無水乙醇中超聲處理5min，干燥；五、將Bi4《LaxTi30,2溶膠通過勻 膠機旋涂到處理過的Pt/Ti/Si02/Si基片上，以1500 r/min旋涂10s，再以 3000r/min旋涂15s后在室溫條件下干燥5min，再置于溫度為6(TC條件下干燥 30min，得薄膜C;六、將薄膜C放入600'C馬弗爐中焙燒10min后取出冷卻 至室溫，得Bi325Lao.75Ti3012薄膜；其中步驟一中硝酸鑭和次硝酸鉍是按照 Bi3.25La。75Ti3012化學計量比稱取。
本實施方式中所得Bi3.25Lao.75Ti3012薄膜XRD測試結(jié)果如圖1所示， Bi3.25Laa75Ti3012薄膜呈現(xiàn)(020)、 (111)擇優(yōu)取向，經(jīng)性能測試，該薄膜的鐵 電鐵磁性能顯著提高；813.251^0.75713012薄膜的原子力顯微照片如圖2所示， Bi3 25Lao75Ti30,2薄膜的表面粗糙度比較小僅為5 10nm，薄膜致密度高、顆粒 分布均勻。
權利要求
1、一種(020)擇優(yōu)取向鈦酸鉍薄膜的制備方法，其特征在于(020)擇優(yōu)取向鈦酸鉍薄膜的制備方法步驟如下一、將硝酸鑭和次硝酸鉍的混合物與醋酸按1∶10～80摩爾比混合，然后緩慢加入質(zhì)量百分比濃度為99.0％～99.8％的乙二醇溶液，使溶液中鑭離子與鉍離子總和與乙二醇的摩爾比為1∶5～18，室溫攪拌8～12min，得溶液A；二、將質(zhì)量百分比濃度為99.0％～99.8％的乙二醇溶液緩慢加入鈦酸四丁酯中，使溶液中鉍離子與乙二醇的摩爾比為1∶5～18，室溫攪拌8～12min，得溶液B；三、將溶液A和溶液B混合，室溫攪拌20～40min，得Bi4-xLaxTi3O12溶膠；四、將Pt/Ti/SiO2/Si基片分別在丙酮和無水乙醇中超聲處理4～6min，干燥；五、將Bi4-xLaxTi3O12溶膠通過勻膠機旋涂到處理過的Pt/Ti/SiO2/Si基片上，以1300～1700r/min旋涂10s，再以2800～3200r/min旋涂15s后在室溫條件下干燥4～6min，再置于溫度為50～70℃條件下干燥20～40min，得薄膜C；六、將薄膜C放入580～620℃馬弗爐中焙燒8～12min后取出冷卻至室溫，得Bi4-xLaxTi3O12薄膜；步驟一中硝酸鑭和次硝酸鉍是按照Bi4-xLaxTi3O12化學計量比稱取，其中0<X<1。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種(020)擇優(yōu)取向鈦酸鉍薄膜的制備方法， 其特征在于步驟一中將硝酸鑭和次硝酸鉍的混合物與醋酸按1 : 40摩爾比混 合，然后緩慢加入質(zhì)量百分比濃度為99.5%的乙二醇溶液，使溶液中鑭離子與 鉍離子總和與乙二醇的摩爾比為1 : 10，室溫攪拌10min。
3、 根據(jù)權利要求l所述的一種(020)擇優(yōu)取向鈦酸鉍薄膜的制備方法， 其特征在于步驟二中將質(zhì)量百分比濃度為99.5%的乙二醇溶液緩慢加入鈦酸 四丁酯中，使溶液中鉍離子與乙二醇的摩爾比為1 : 10，室溫攪拌10min。
4、 根據(jù)權利要求1所述的一種(020)擇優(yōu)取向鈦酸鉍薄膜的制備方法， 其特征在于步驟三中室溫攪拌時間為30min。
5、 根據(jù)權利要求1所述的一種(020)擇優(yōu)取向鈦酸鉍薄膜的制備方法， 其特征在于步驟四中將Pt/Ti/Si02/Si基片分別在丙酮和無水乙醇中超聲處理 5min。
6、 根據(jù)權利要求l所述的一種(020)擇優(yōu)取向鈦酸鉍薄膜的制備方法， 其特征在于步驟五中以1500r/min旋涂10s,再以3000r/min旋涂15s。
7、 根據(jù)權利要求1所述的一種(020)擇優(yōu)取向鈦酸鉍薄膜的制備方法， 其特征在于步驟五中在室溫條件下干燥5min，再置于溫度為60'C條件下干燥 30min。
8、 根據(jù)權利要求1所述的一種(020)擇優(yōu)取向鈦酸鉍薄膜的制備方法， 其特征在于步驟六中將薄膜C放入60(TC馬弗爐中焙燒10min后取出冷卻至室溫o
全文摘要
一種(020)擇優(yōu)取向鈦酸鉍薄膜的制備方法，它涉及一種薄膜材料的制備工藝。它解決現(xiàn)有技術中制備Bi<sub>4-x</sub>La<sub>x</sub>Ti<sub>3</sub>O<sub>12</sub>薄膜工藝復雜、結(jié)晶溫度高、表面粗糙、無擇優(yōu)取向性、鐵電性能差、致密度低和顆粒分布不均的問題。制備方法將硝酸鑭和次硝酸鉍溶于醋酸中，加入乙二醇溶液后，與加入乙二醇溶液的鈦酸四丁酯溶液混合攪拌得Bi<sub>4-x</sub>La<sub>x</sub>Ti<sub>3</sub>O<sub>12</sub>溶膠，然后將此溶膠旋涂到清洗過的Pt/Ti/SiO<sub>2</sub>/Si基片上，干燥、焙燒，晶化熱處理后得Bi<sub>4-x</sub>La<sub>x</sub>Ti<sub>3</sub>O<sub>12</sub>薄膜。本發(fā)明Bi<sub>4-x</sub>La<sub>x</sub>Ti<sub>3</sub>O<sub>12</sub>薄膜的制備成膜質(zhì)量高、結(jié)晶溫度低、呈現(xiàn)(020)擇優(yōu)取向、有利于提高鐵電性能、成本低、工藝簡單、適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號C04B41/45GK101376598SQ20081013724
公開日2009年3月4日 申請日期2008年9月28日 優(yōu)先權日2008年9月28日
發(fā)明者徐加煥, 華 柯, 文 王, 賈德昌, 林 陳 申請人:哈爾濱工業(yè)大學