專(zhuān)利名稱(chēng)：一種(100)擇優(yōu)取向鐵酸鉍薄膜的制備方法
一種(100)擇優(yōu)取向鐵酸鉍薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)縛
本發(fā)明屬于薄膜材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多鐵性材料鐵酸鉍(BiFe03)是室溫單相鐵電鐵磁材料，在存儲(chǔ)器、高電 容和大電感一體化的電子元器件、自旋電子器件方面應(yīng)用前景廣闊,BiFe03的 研究日益受到人們的關(guān)注。
BiFe03具有G-型反鐵磁結(jié)構(gòu)，塊體材料和納米粉末材料在室溫下具有很 小的磁性。隨著納米粒徑的減小，BiFe03的鐵磁性逐漸增大，因此制備粒徑 可控的納米尺寸BiFe03粉體是提高其鐵磁性的優(yōu)良途徑；現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的 BiFe03粉體磁滯回線矩形度不好，剩余磁化強(qiáng)度小僅為0.06emu/g,矯頑力大， 為200 5000Oe。
目前，制備BiFe03采用的溶膠凝膠法主要有檸檬酸絡(luò)合法和金屬醇鹽水 解聚合法。檸檬酸絡(luò)合法形成鈣鈦礦純相的溫度高達(dá)500 550°C，反應(yīng)條件 高，且制備的薄膜致密度低、顆粒分布不均、表面粗糙、無(wú)擇優(yōu)取向性；金屬 醇鹽法主要是采用金屬醇鹽為原料，但金屬醇鹽昂貴，容易水解，對(duì)濕度要求 苛刻，增加反應(yīng)難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中制備BiFe03薄膜工藝復(fù)雜、成本高、 結(jié)晶溫度高'、薄膜致密度低、顆粒分布不均、表面粗糙和無(wú)擇優(yōu)取向性的問(wèn)題， 而提供一種制備鐵酸鉍薄膜的方法。
一種(100)擇優(yōu)取向鐵酸鉍薄膜的制備方法按以下步驟實(shí)施a、將硝酸 鐵與醋酸按l : 10 80摩爾比混合，然后緩慢加入濃度為99.0 99.8%的乙二 醇溶液，使溶液中鐵離子與乙二醇的摩爾比為1 : 5 18，再攪拌8 12min; b、 將次硝酸鉍與醋酸按1 : 50 400摩爾比混合，然后緩慢加入濃度為99.0 99.8%的乙二醇溶液，使溶液中鉍離子與乙二醇的摩爾比為15 18，再攪拌8 12min; c、將步驟a和b制備的溶液混合，再攪拌20 40min，得BiFe03 溶膠；d、將Pt/Ti/Si02/Si基片分別在丙酮和無(wú)水乙醇中超聲清洗4 6min，干 燥；e、將BiFe03溶膠通過(guò)勻膠機(jī)旋涂到清洗過(guò)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50 70'C條件下干燥20 40min; f、將干燥后的薄膜放 入490 510。C馬弗爐中焙燒8 12min后取出冷卻至室溫；g、將取出的薄膜 放入馬弗爐中，以5 10tVmin的速度升溫到190 210。C并保溫40 60min， 然后升溫到390 41(TC再保溫40 60min，之后以10°C/min的速度升溫到 4卯 510°C并保溫20 40min，得BiFe03薄膜。
本發(fā)明中BiFe03溶膠可進(jìn)一步制備成BiFe03納米粉體，其結(jié)構(gòu)為R3c結(jié) 構(gòu)；且在室溫下可得到矩形度很好的磁滯回線，飽和磁化強(qiáng)度好，剩余磁化強(qiáng) 度大可達(dá)0.65emu/g，矯頑力小低至150Oe， BiFe03納米粉體的鐵磁性能優(yōu)良。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用溶膠凝膠法制備鐵酸鉍薄膜材料，工藝簡(jiǎn)單、成本低、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2 4nm,且表 現(xiàn)為(100)擇優(yōu)取向性薄膜，并可在大面積或者任意形狀的基底上成膜，可 得到厚度為S0 300nm的薄膜，且這種薄膜鐵電鐵磁性好，適合工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1是具體實(shí)施方式
一中BiFe03納米粉體的XRD譜圖，圖2是具體實(shí)施 方式一中BiFe03納米粉體的磁學(xué)性能測(cè)試譜圖，圖3是具體實(shí)施方式
十一中 所得BiFe03薄膜XRD譜圖，圖4是具體實(shí)施方式
十一中所得BiFe03薄膜的 原子力顯微照片。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式一種(100)擇優(yōu)取向鐵酸鉍薄膜的制備方
法按以下步驟實(shí)施a、將硝酸鐵與醋酸按1 : 10 80摩爾比混合，然后緩慢 加入濃度為99.0 99.8%的乙二醇溶液，使溶液中鐵離子與乙二醇的摩爾比為 1 : 5 18，再攪拌8 12min; b、將次硝酸鉍與醋酸按1 : 50 400摩爾比混 合，然后緩慢加入濃度為99.0 99.8%的乙二醇溶液，使溶液中鉍離子與乙二 醇的摩爾比為1 : 5 18，再攪拌8 12min; c、將步驟a和b制備的溶液混合，
再攪拌20 40min，得BiFe(V溶膠；d、將Pt/Ti/Si02/Si基片分別在丙酮和無(wú) 水乙醇中超聲清洗4 6min，干燥；e、將BiFe03溶膠通過(guò)勻膠機(jī)旋涂到清洗 過(guò)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50 7(TC條件下干燥20 40min; f、將干燥后的薄膜放入490 51(TC馬弗爐中焙燒8 12min后取出冷 卻至室溫;g、將取出的薄膜放入馬弗爐中，以5 10°C/min的速度升溫到190 210。C并保溫40 60min，然后升溫到390 410。C再保溫40 60min，之后以 10°C/min的速度升溫到490 510。C并保溫20 40min，得BiFe03薄膜。
本實(shí)施方式步驟c中得到的BiFe03溶膠，在80'C下保溫2天后，再置于 IO(TC條件下形成干凝膠，然后以5t7min的速度升溫到30(TC并保溫lh,再 升溫到450。C再保溫lh，降到室溫后取出，得BiFe03納米粉體；XRD測(cè)試結(jié) 果如圖1所示，BiFe03納米粉體為R3c結(jié)構(gòu)；磁學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如圖2所示， 在室溫下得到了矩形度很好的磁滯回線，飽和磁化強(qiáng)度好，剩余磁化強(qiáng)度大可 達(dá)0.65emu/g，矯頑力小低至150Oe，說(shuō)明BiFe03納米粉體的鐵磁性能優(yōu)良。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同是步驟a中將硝酸 鐵與醋酸按l : 40摩爾比混合，然后緩慢加入濃度為99.5%的乙二醇溶液，使 溶液中鐵離子與乙二醇的摩爾比為1 : 10，再攪拌10min。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同是步驟b中將次硝 酸鉍與醋酸按1 : 200摩爾比混合，然后緩慢加入濃度為99.5%的乙二醇溶液， 使溶液中鉍離子與乙二醇的摩爾比為1 : 10，再攪拌10min。其它步驟及參數(shù) 與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同是步驟c中將步驟 a和b制備的溶液混合，再攪拌30min，得BiFe03溶膠。其它步驟及參數(shù)與具 體實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同是步驟d中將 Pt/Ti/Si02/Si基片分別在丙酮和無(wú)水乙醇中超聲清洗5min。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同是步驟e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(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同是步驟e中在室溫 條件下干燥5min，再置于6(TC條件下干燥30min。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí) 施方式一相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同是步驟f中將干燥 后的薄膜放入50(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(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同是步驟f可重復(fù)操 作2 10次。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
九的不同是步驟f可重復(fù)操 作6次。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
九相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同是步驟g中以8
°C/min的速度升溫到20(TC并保溫55min，然后升溫到40(TC再保溫55min， 之后以1(TC/min的速度升溫到50(TC并保溫30min，得BiFe03薄膜。其它步 驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
本實(shí)施方式中所得BiFe03薄膜XRD測(cè)試結(jié)果如圖3所示，BiFe03薄膜 呈現(xiàn)(100)擇優(yōu)取向，經(jīng)性能測(cè)試，該薄膜的鐵電鐵磁性能顯著提高；BiFe03 薄膜的原子力顯微照片如圖4所示，BiFe03薄膜的表面粗糙度比較小僅為2 4nm，薄膜致密度高、顆粒分布均勻。
權(quán)利要求
1、一種(100)擇優(yōu)取向鐵酸鉍薄膜的制備方法，其特征在于一種(100)擇優(yōu)取向鐵酸鉍薄膜的制備方法步驟如下a、將硝酸鐵與醋酸按1∶10～80摩爾比混合，然后緩慢加入濃度為99.0～99.8％的乙二醇溶液，使溶液中鐵離子與乙二醇的摩爾比為1∶5～18，再攪拌8～12min；b、將次硝酸鉍與醋酸按1∶50～400摩爾比混合，然后緩慢加入濃度為99.0～99.8％的乙二醇溶液，使溶液中鉍離子與乙二醇的摩爾比為1∶5～18，再攪拌8～12min；c、將步驟a和b制備的溶液混合，再攪拌20～40min，得BiFeO3溶膠；d、將Pt/Ti/SiO2/Si基片分別在丙酮和無(wú)水乙醇中超聲清洗4～6min，干燥；e、將BiFeO3溶膠通過(guò)勻膠機(jī)旋涂到清洗過(guò)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50～70℃條件下干燥20～40min；f、將干燥后的薄膜放入490～510℃馬弗爐中焙燒8～12min后取出冷卻至室溫；g、將取出的薄膜放入馬弗爐中，以5～10℃/min的速度升溫到190～210℃并保溫40～60min，然后升溫到390～410℃再保溫40～60min，之后以10℃/min的速度升溫到490～510℃并保溫20～40min，得BiFeO3薄膜。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種(100)擇優(yōu)取向鐵酸鉍薄膜的制備方法， 其特征在于步驟a中將硝酸鐵與醋酸按1 : 40摩爾比混合，然后緩慢加入濃度 為99.5°/。的乙二醇溶液，使溶液中鐵離子與乙二醇的摩爾比為1 : 10，再攪拌 10min。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種(100)擇優(yōu)取向鐵酸鉍薄膜的制備方法， 其特征在于步驟b中將次硝酸鉍與醋酸按1 : 200摩爾比混合，然后緩慢加入 濃度為99.5%的乙二醇溶液，使溶液中鉍離子與乙二醇的摩爾比為1 : 10，再 攪拌10min。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種(100)擇優(yōu)取向鐵酸鉍薄膜的制備方法， 其特征在于步驟c中將步驟a和b制備的溶液混合，再攪拌30min，得BiFe03溶膠。
5、 根竭權(quán)利要求l所述的一種(100)擇優(yōu)取向鐵酸鉍薄膜的制備方法， 其特征在于步驟d中將Pt/Ti/Si02/Si基片分別在丙酮和無(wú)水乙醇中超聲清洗 5min。
6、 根瑪權(quán)利要求l所述的一種(100)擇優(yōu)取向鐵酸鉍薄膜的制備方法， 其特征在于步驟e中以1500r/min旋涂10s,再以3000r/min旋涂15s。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種(100)擇優(yōu)取向鐵酸鉍薄膜的制備方法， 其特征在于步驟e中在室溫條件下干燥5min，再置于6(TC條件下干燥30min。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種(100)擇優(yōu)取向鐵酸鉍薄膜的制備方法， 其特征在于步驟f中將干燥后的薄膜放入50(TC馬弗爐中焙燒lOmiii后取出冷 卻至室溫。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種(100)擇優(yōu)取向鐵酸鉍薄膜的制備方法， 其特征在于步驟f可重復(fù)操作2 10次。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種(100)擇優(yōu)取向鐵酸鉍薄膜的制備方法， 其特征在于步驟g中以8°C/min的速度升溫到20(TC并保溫55min，然后升溫 到40(TC再保溫55min,之后以10°C/min的速度升溫到500。C并保溫30min， 得BiFe03薄膜。
全文摘要
一種(100)擇優(yōu)取向鐵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(shù)中制備BiFeO₃薄膜工藝復(fù)雜、成本高、結(jié)晶溫度高、薄膜致密度低、顆粒分布不均、表面粗糙和無(wú)擇優(yōu)取向性的問(wèn)題。其方法步驟是分別將硝酸鐵和次硝酸鉍與醋酸混合，再分別加乙二醇溶液，將兩溶液混合攪拌得BiFeO₃溶膠，然后將BiFeO₃溶膠旋涂到清洗過(guò)的Pt/Ti/SiO₂/Si基片上，干燥、焙燒，晶化熱處理后得BiFeO₃薄膜。本發(fā)明BiFeO₃薄膜的制備成膜質(zhì)量高、呈現(xiàn)(100)擇優(yōu)取向、鐵電鐵磁性能好、適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C01G49/00GK101186341SQ200710144718
公開(kāi)日2008年5月28日 申請(qǐng)日期2007年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月3日
發(fā)明者玉 周, 徐加煥, 華 柯, 文 王, 賈德昌 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)