專利名稱：一種鈦酸鍶鋇多層薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦酸鍶鋇多層薄膜及其制備方法，屬于功能信息材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鈦酸鍶鋇(BaxSivxTiO3, BST)薄膜材料由于其優(yōu)越的介電性能，在下一代動態(tài)隨機(jī)存儲器、微波調(diào)諧器件等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。與眾多的制備方法相比， 化學(xué)法具有均勻性好、化學(xué)計量比容易控制，設(shè)備簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛用于薄膜材料的制備。近年來，已有很多關(guān)于采用化學(xué)法制備鈦酸鍶鋇薄膜材料的報導(dǎo)， 如,Synthesis and dielectric characteristic of Ba1_xSrxTi03thin films-based strontium-barium alkoxides derivatives”，MaterialsChemistry and Physics. 69， 166 ；“Chemical mechanical polishing OfBa0 6Sr0 4Ti03 film prepared by sol-gel method，，，MicroelectronicEngineering 75，149 ；“Chemical solution deposition of<100>-orIentedSrTiO3 buffer layers on Ni substrates， Journal of Materials Research 17，1678。從這些文獻(xiàn)報道的結(jié)果來看，多數(shù)是制備具有單一組分的鈦酸鍶鋇 (BaxSr1^xTiO3)薄膜，由于單組份鈦酸鍶鋇薄膜通常不能在具備高調(diào)諧率的同時又具有低的介電損耗，不能滿足應(yīng)用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于通過一種鈦酸鍶鋇多層膜(B^7Sra3TiCVBiia5Sra5TiO3)2的制備，在不增加介電損耗的情況下使其介電常數(shù)和調(diào)諧率由于Maxwell-Wagner效應(yīng)而提高， 從而獲得高調(diào)諧率和低損耗的BST薄膜材料。為了實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用如下技術(shù)方案鈦酸鍶鋇多層薄膜，其特征在于鈦酸鍶鋇多層薄膜是在基片Pt/Ti/Si02/ Si上以BEia5Sra5TiO3和Ba0.7Sr0.3Ti03的先后順序制備兩個周期，構(gòu)成(Ba0.7Sr0.3Ti03/ Ba0.5Sr0.5Ti03) J基片形式的多層膜結(jié)構(gòu)。所述的鈦酸鍶鋇多層薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)前驅(qū)膠體的制備a :Ba0.5Sr0.5Ti03 前驅(qū)膠體的制備采用分析純的醋酸鋇、醋酸鍶和鈦酸丁脂作為溶質(zhì)，乙二醇甲醚和乙酰丙酮作為溶劑；稱量按照Ba Sr的摩爾比例為5 5，稱取醋酸鋇和醋酸鍶加入盛有醋酸的燒杯中，在40-80°C攪拌直到醋酸鋇和醋酸鍶完全溶解；量取與醋酸鋇和醋酸鍶之和等摩爾量的鈦酸丁酯，加入盛有乙酰丙酮的燒杯中， 40-80°C攪拌 10-20 分鐘；將以上兩種溶液混合，40-80 V攪拌20-40分鐘后再在室溫下攪拌5. 5_6. 5小時，然后用乙二醇甲醚將溶液中的溶質(zhì)濃度調(diào)整到0. 1-0. 5摩爾/升，過濾后得到穩(wěn)定的Ba0.5Sr0.5Ti03 前驅(qū)膠體。b :Ba0.7Sr0.3Ti03 前驅(qū)膠體的制備采用分析純的醋酸鋇、醋酸鍶和鈦酸丁脂作為溶質(zhì)，乙二醇甲醚和乙酰丙酮作為溶劑；稱量按照Ba Sr的摩爾比例為7 3，稱取醋酸鋇和醋酸鍶加入盛有醋酸的燒杯中，在40-80°C攪拌直到醋酸鋇和醋酸鍶完全溶解；量取與醋酸鋇和醋酸鍶之和等摩爾量的鈦酸丁酯，加入盛有乙酰丙酮的燒杯中， 40-80°C攪拌 10-20 分鐘；將以上兩種溶液混合，40-80 V攪拌20-40分鐘后再在室溫下攪拌5. 5_6. 5小時，然后用乙二醇甲醚將溶液中的溶質(zhì)濃度調(diào)整到0. 1-0. 5摩爾/升，過濾后得到穩(wěn)定的 Ba0.7Sr0.3Ti03 前驅(qū)膠體。(2)甩膠與熱解過程將Baa5Sra5TiO3前驅(qū)膠體滴到基片上，用勻膠機(jī)將溶液均勻甩開，在基片上形成凝膠，甩膠速度為每分鐘3000-6000轉(zhuǎn)，甩膠時間為20-60秒，然后再將基片及凝膠膜放入退火爐中進(jìn)行熱解處理，熱解溫度200°C -400°C，時間10-40分鐘；(3)熱處理晶化過程將上述熱解過的薄膜置入管式退火爐中，升溫到650°C -900°C，退火30-120分鐘，在退火過程中，通入氧氣氛，最后獲得晶化的 Ba0.5Sr0.5Ti03/ 基片薄膜；(4)多層膜形成將上述晶化的Biia 5Sr0.5Ti03薄膜，在其表面滴加Biia 7Sr0.3Ti03前驅(qū)膠體，重復(fù)上述的甩膠和熱處理工藝，獲得B^7Sra3TiO3ZBiia5Sra5TiO3/基片雙層薄膜， 再如此交替重復(fù)可以獲得兩個周期的(B^l7Sra3TiCVBiia5Sra5TiO3)2/基片多層膜。鈦酸鍶鋇多層薄膜的制備方法，其特征在于所述的醋酸、乙酰丙酮的用量是不定的，只需其中的溶質(zhì)完全溶解即可。基片為Pt/Ti/Si02/Si基片。本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明的多層膜制備方法，制作設(shè)備和工藝簡單，制作成本低，適用于大面積膜的制備，有利于商業(yè)應(yīng)用。2、本發(fā)明的多層膜制備方法，得到了介電性能良好的鈦酸鍶鋇薄膜，與 Baa5Sra5TiO3和B^7Sra3TiO3單組分薄膜相比，多層膜的介電常數(shù)和調(diào)諧率更大，而且多層膜的介電損耗比單層膜更低，從而多層膜具有更加優(yōu)越的性能，適合在微波調(diào)諧器件、下一代動態(tài)隨機(jī)存儲器等方面的應(yīng)用。


圖1為鈦酸鍶鋇薄膜的X-射線衍射圖，(a)是Biia5Sra5TiO3, (b)是B^l7Sra3TiO3, (c)是(B^l7Sra3TiCVBiia5Sra5TiO3)2多層膜。從圖中可以看出，多層膜和單層膜都形成了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，且沒有雜相生成。圖2為鈦酸鍶鋇薄膜的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)照片，(a)是 Baa5Sra5TiO3, (b)是 Ba。.7&~。.3Ti03，(c)是(B^l7Sra3TiO3ZBiia5Sra5TiO3)2 多層膜。從圖中可以看出多層膜表面很致密，沒有孔洞。圖3(a)為三種薄膜的介電常數(shù)與頻率的關(guān)系，其中BST0. 5，BST0. 7和BST0. 7/0. 5 分別代表 BEta5Sra5TiC^BEia7Sra3TiO3 和(BEia7Sra3Ti(VBEia5Sra5TiO3)2 薄膜材料，(b)是三種薄膜的介電損耗隨頻率的變化關(guān)系，(C)是三種薄膜的介電常數(shù)隨外加偏壓的關(guān)系。從圖中可以看出，多層膜比單層膜具有更大的介電常數(shù)和調(diào)諧率以及更低的介電損耗。
具體實(shí)施例方式鈦酸鍶鋇(B 7Sr0.3Ti03/Ba0.5Sr0.5Ti03) 2多層膜的化學(xué)溶液沉積法制備首先對所用的器皿清洗，將要用的燒杯、滴管、注射器、稱量瓶、玻璃棒用15%的稀硝酸浸泡M小時，再用自來水沖洗，去離子水沖洗多次，然后用酒精清洗，將清洗好的器皿在50°C的條件下烘烤2小時后備用。1. Ba0.5Sr0.5Ti03 前驅(qū)膠體的制備采用分析純的醋酸鋇、醋酸鍶和鈦酸丁酯作為溶質(zhì)，乙二醇甲醚和乙酰丙酮作為溶劑；(1)稱量0. 0015摩爾的醋酸鋇和0. 0015摩爾的醋酸鍶加入盛有5毫升的醋酸的燒杯中，在70°C攪拌直到醋酸鋇和醋酸鍶完全溶解；(2)稱量鈦酸丁酯0. 003摩爾，加入盛有5毫升乙酰丙酮的燒杯中，70°C攪拌15分鐘；(3)將以上兩種溶液混合，70°C攪拌30分鐘后再在室溫下攪拌6小時，用乙二醇甲醚滴定溶液到10毫升，過濾后得到穩(wěn)定的B^l5Sra5TiO3前驅(qū)膠體。2. Ba0.7Sr0.3Ti03 前驅(qū)膠體的制備(1)稱量0. 0021摩爾的醋酸鋇和0. 0009摩爾的醋酸鍶加入盛有5毫升的醋酸的燒杯中，在70°C攪拌直到醋酸鋇和醋酸鍶完全溶解；(2)稱量鈦酸丁酯0. 003摩爾，加入盛有5毫升乙酰丙酮的燒杯中，70°C攪拌15分鐘；(3)將以上兩種溶液混合，70°C攪拌30分鐘后再在室溫下攪拌6小時，用乙二醇甲醚滴定溶液到10毫升，過濾后得到穩(wěn)定的B^l7Sra3TiO3膠體。3. (Ba0.7Sr0.3Ti03/Ba0.5Sr0.5Ti03)2 多層膜的制備將制備好的B^l5Sra5TiO3膠體滴到基片Pt/Ti/Si02/Si上，再用勻膠機(jī)將其均勻甩開，甩膠速度為4000轉(zhuǎn)/分鐘，時間為30秒；再將基片及凝膠膜放入退火爐中進(jìn)行熱處理，在400°C干燥、熱解30分鐘，然后升溫到700°C下退火60分鐘，在退火過程中，氣氛為氧氣。之后在此薄膜上滴加B、7Sr0.3Ti03膠體，用同樣的甩膠和熱處理工藝，這樣便得到了一個周期的雙層膜。然后再在上面依次制備Biia5Sra5TiO3和Biia7Sra3TiO3薄膜，即可獲得具有兩個周期的(BEia7Sra3Ti(VBEia5Sra5TiO3)2 多層膜。4.材料鑒定(I)X射線衍射儀分析表明鈦酸鍶鋇多層膜和單層膜都具有完整的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)， 沒有第二相存在。(2)掃描電子顯微鏡測試表明多層膜表面較致密，沒有孔洞。(3)對薄膜介電性能測試表明多層膜的介電常數(shù)和調(diào)諧率都高于單層膜，且多層膜的介電損耗更低。上述方法制備的(B^l7Sra3TiCVBiia5Sra5TiO3)2多層膜具有優(yōu)越的介電性能，從而可以在微波調(diào)諧器件中得到應(yīng)用。另外，上述鈦酸鍶鋇多層膜的制備方法不僅僅用于Pt/Ti/Si02/Si基片，可以用于其它各種基片，如單晶Si、藍(lán)寶石等基片。
權(quán)利要求
1.一種鈦酸鍶鋇多層薄膜，其特征在于鈦酸鍶鋇多層薄膜是在基片Pt/Ti/Si02/ Si上以BEia5Sra5TiO3和Ba0.7Sr0.3Ti03的先后順序制備兩個周期，構(gòu)成(Ba0.7Sr0.3Ti03/ Ba0.5Sr0.5Ti03) J基片形式的多層膜結(jié)構(gòu)。
2.一種如權(quán)利要求1所述的鈦酸鍶鋇多層薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)前驅(qū)膠體的制備a :Ba0.5Sr0.5Ti03前驅(qū)膠體的制備采用分析純的醋酸鋇、醋酸鍶和鈦酸丁脂作為溶質(zhì)，乙二醇甲醚和乙酰丙酮作為溶劑；稱量按照Ba Sr的摩爾比例為5 5，稱取醋酸鋇和醋酸鍶加入盛有醋酸的燒杯中， 在40-80°C攪拌直到醋酸鋇和醋酸鍶完全溶解；量取與醋酸鋇和醋酸鍶之和等摩爾量的鈦酸丁酯，加入盛有乙酰丙酮的燒杯中， 40-80°C攪拌 10-20 分鐘；將以上兩種溶液混合，40-80°C攪拌20-40分鐘后再在室溫下攪拌5. 5-6.5小時， 然后用乙二醇甲醚將溶液中的溶質(zhì)濃度調(diào)整到0. 1-0. 5摩爾/升，過濾后得到穩(wěn)定的 Ba0.5Sr0.5Ti03 前驅(qū)膠體；b :Ba0.7Sr0.3Ti03前驅(qū)膠體的制備采用分析純的醋酸鋇、醋酸鍶和鈦酸丁脂作為溶質(zhì)，乙二醇甲醚和乙酰丙酮作為溶劑；稱量按照Ba Sr的摩爾比例為7 3，稱取醋酸鋇和醋酸鍶加入盛有醋酸的燒杯中， 在40-80°C攪拌直到醋酸鋇和醋酸鍶完全溶解；量取與醋酸鋇和醋酸鍶之和等摩爾量的鈦酸丁酯，加入盛有乙酰丙酮的燒杯中， 40-80°C攪拌 10-20 分鐘；將以上兩種溶液混合，40-80°C攪拌20-40分鐘后再在室溫下攪拌5. 5-6. 5小時， 然后用乙二醇甲醚將溶液中的溶質(zhì)濃度調(diào)整到0. 1-0. 5摩爾/升，過濾后得到穩(wěn)定的 Baa7Sra3TiO3 前驅(qū)膠體；(2)甩膠與熱解過程將B^l5Sra5TiO3前驅(qū)膠體滴到基片上，用勻膠機(jī)將溶液均勻甩開，在基片上形成凝膠，甩膠速度為每分鐘3000-6000轉(zhuǎn)，甩膠時間為20-60秒，然后再將基片及凝膠膜放入退火爐中進(jìn)行熱解處理，熱解溫度200°C -400°C，時間10-40分鐘；(3)熱處理晶化過程將上述熱解過的薄膜置入管式退火爐中，升溫到650°C-900 退火30-120分鐘，在退火過程中，通入氧氣氛，最后獲得晶化的Biia5Sra5TiO3/基片薄膜；(4)多層膜形成將上述晶化的B、5Sr0.5Ti03薄膜，在其表面滴加Biia7Sr0.3Ti03前驅(qū)膠體，重復(fù)上述的甩膠和熱處理工藝，獲得B^7Sra3TiO3ZBiia5Sra5TiO3/基片雙層薄膜，再如此交替重復(fù)可以獲得兩個周期的(B^l7Sra3TiCVBiia5Sra5TiO3)2/基片多層膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鈦酸鍶鋇多層薄膜的制備方法，其特征在于所述的醋酸、乙酰丙酮的用量是不定的，只需其中的溶質(zhì)完全溶解即可，基片為Pt/Ti/Si02/Si基片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鈦酸鍶鋇多層薄膜及其制備方法，其主要是將一定的摩爾比的醋酸鋇、醋酸鍶、鈦酸丁酯溶于醋酸、乙二醇甲醚和乙酰丙酮溶液中分別配制成鋇、鍶比例不同的穩(wěn)定前驅(qū)膠體，然后在硅基鉑金等基片上交替進(jìn)行勻膠、熱處理，直到所需的厚度為止。本發(fā)明采用化學(xué)溶液沉積方法制備這一鈦酸鍶鋇多層膜結(jié)構(gòu)，獲得了具有高調(diào)諧率和低的介電損耗的薄膜材料，可應(yīng)用于微波調(diào)諧器件。
文檔編號C01G23/00GK102229265SQ20111010966
公開日2011年11月2日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者吳大俊, 孫玉平, 常青, 張偉杰, 戴建明, 朱雪斌 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院