CN100522876C - 一种复合型铁电薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合型铁电薄膜，其特征在于，按照摩尔百分比由1%～3%的BaMg6Ti6O19和97%～99%的Ba(1-x)SrxTiO3组成，其中x＝0.2～0.7。本发明中的复合型铁电薄膜，具有良好的电学性能，具有介电可调性，介电损耗低，并且可用做微波材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的铁电薄膜及其制备方法。
背景技术
铁电薄膜的研究主要集中在BaTiO3(BT)、(Ba，Sr)TiO3(BST)、Pb(Zr，Ti)O3(PZT)、(Pb，La)TiO3(PLT)、(Pb，La)(Zr，Ti)O3(PLZT)、Ba(Zr，Ti)O3(BZT)等上。其中，BST薄膜由于拥有高介电常数，低介电损耗，很小的漏电流等良好的介电性质，成为人们研究的重点。但是，BST薄膜在微波频率下具有较大的介电损耗，这就限制了BST薄膜在微波器件方面的应用。因此，急需一种具有适当的介电常数与较低的介电损耗的新型材料
目前研究和使用较多的复合薄膜的制备技术主要有溅射法、激光闪蒸法(PLD)及溶胶凝胶法。溅射法和激光闪蒸法所需设备昂贵，难以大面积成膜。溶胶—凝胶以其化学计量比控制准确、成膜面积大且均匀、设备简单等优势而为人们所采用。然而，到目前为止关于采用溶胶凝胶法制备微波介质材料与钛酸锶钡的复合型铁电薄膜的内容还鲜有报道。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的不足，提供一种具有适中介电常数，良好的介电可调性，介电损耗低，可以应用于微波器件中的复合型铁电薄膜。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种复合型铁电薄膜，其特征在于，按照摩尔百分比由1％～3％的BaMg6Ti6O19和97％～99％的Ba(1-x)SrxTiO3组成，其中x＝0.2～0.7。
本发明的另一目的是提供一种制备复合型铁电薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、按照反应的产物为Ba(1-x)SrxTiO3x＝0.2～0.7的配比，先将醋酸钡、醋酸锶在冰醋酸溶液中加热至沸腾，待冷却至室温时，再加入摩尔比为1：2的钛酸四正丁酯和乙酰丙酮的混合溶液，形成Ba(1-x)SrxTiO3溶液；
B、将硝酸镁溶于乙二醇乙醚中，搅拌至完全溶解并使Mg在溶液中的摩尔百分比为20～30％，并加入一定量的去离子水，最后将硝酸镁的乙二醇乙醚溶液加入步骤A获得的溶液中，并用冰醋酸调整溶液的摩尔浓度至0.10～0.20M，放置24小时后形成前驱体溶胶；
C、将步骤B获得的前驱体溶胶通过旋转涂覆的方法在Al2O3基底上制成凝胶膜；旋转速度为3000转/分，时间为10～30秒；
D、将凝胶膜直接在500℃的环境下处理5～10分钟，取出后冷却至室温，涂覆下一层凝胶膜，循环往复直到获得所需厚度的凝胶膜，再在1100℃下处理60～180分钟。
本发明中所采用的化学原料为醋酸钡、醋酸锶、硝酸镁以及钛酸四正丁酯，溶剂为冰醋酸、乙二醇乙醚和水，乙酰丙酮为螯合剂。
本发明中采用的是溶胶凝胶方法：将金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经过热处理而形成氧化物或其他化合物固体，是制备材料的湿化学方法中的一种工艺。
本发明中的复合型铁电薄膜，具有良好的电学性能，具有介电可调性，介电损耗低，并且可用做微波材料。
附图说明：
图1是实施例1制备的复合型铁电薄膜的X射线衍射图谱(XRD)。
图2是实施例1制备的复合型铁电薄膜的介电常数在不同外加偏压下的频谱图。
图3是实施例1制备的复合型铁电薄膜在1MHz频率下的介电常数及介电损耗与外加偏压的关系图。
图4是实施例2制备的复合型铁电薄膜的X射线衍射图谱(XRD)。
图5是实施例2制备的复合型铁电薄膜的介电常数在不同外加偏压下的频谱图。
图6是实施例2制备的复合型铁电薄膜在1MHz频率下的介电常数及介电损耗与外加偏压的关系图。
图7是实施例3制备的复合型铁电薄膜的X射线衍射图谱(XRD)。
图8是实施例3制备的复合型铁电薄膜的介电常数在不同外加偏压下的频谱图。
图9是实施例3制备的复合型铁电薄膜在1MHz频率下的介电常数及介电损耗与外加偏压的关系图。
具体实施方式：
实施例1：在Al2O3基底上生长摩尔百分比为2％的BaMg6Ti6O19和98％Ba(1-x)SrxTiO3x＝0.50的复合型薄膜：
A、所采用的化学原料为醋酸钡、醋酸锶、硝酸镁以及钛酸四正丁酯，溶剂为冰醋酸、乙二醇乙醚和水，乙酰丙酮为螯合剂，先将醋酸钡、醋酸锶按照Ba(1-x)SrxTiO3x＝0.50的化学配比分别称取1.2771g，1.0736g在10mL冰醋酸溶液中加热至沸腾，待冷却至室温时，将摩尔比为1：2的钛酸四正丁酯3.4731g和乙酰丙酮2.0024g的混合溶液加入其中，形成Ba(1-x)SrxTiO3(x＝0.50)的溶液。
B、按照Mg的摩尔百分比含量为25％，称取0.6410g的硝酸镁溶于10mL乙二醇乙醚中，并加入5mL的去离子水，搅拌至完全溶解。最后将硝酸镁的溶液加入步骤A获得的溶液中，并用冰醋酸调整溶液的摩尔浓度至0.2M，放置24小时后形成前驱体溶胶用来制备薄膜。
C、将步骤B获得的前驱体溶胶通过旋转涂覆的方法在Al2O3基底上制成凝胶膜，旋转速度为3000转/分，时间为20秒。
D、涂覆好的凝胶膜直接在500℃的环境下处理10分钟，取出后冷却至室温，涂覆下一层凝胶膜，循环往复直到获得400nm的凝胶膜，再在1100℃下处理180分钟。电性能测试采用光刻工艺在上表面制作Au叉指电极，厚度约为300nm。
实施例1制得的复合型铁电薄膜的X射线衍射分析图谱如图1所示，X射线衍射分析图谱显示两种组分薄膜均呈现BaMg6Ti6O19与BST两相共存结构，没有其他杂相生成；实施例1制得的复合型铁电薄膜的介电常数在不同外加偏压下的频谱分析图如图2所示，从图中可以看出其介电常数随频率增大而减小，在外加偏压的作用下，介电常数随外加偏压增大而减小，表明其具有一定的介电可调性；实施例1制得的复合型铁电薄膜在1MHz频率下的介电常数及介电损耗与外加偏压的关系图如图3所示，从图中可以看出，其介电常数适中，具有较低的介电损耗<0.005，在外加偏压的作用下介电常数的变化率为12.4％，可以较好的满足微波调谐器件材料的要求。
实施例2
其与实施例1的不同之处在于，改变醋酸钡、醋酸锶、钛酸四正丁酯的用量，使得生成的Ba(1-x)SrxTiO3x＝0.55，制备方法与实施例1相同。
最终制得摩尔百分比为2％的BaMg6Ti6O19和98％的Ba(1-x)SrxTiO3x＝0.55的复合型铁电薄膜。电性能测试采用光刻工艺在上表面制作Au叉指电极，厚度约为300nm。
实施例2制得的复合型铁电薄膜的X射线衍射分析图谱如图4所示，X射线衍射分析图谱显示两种组分薄膜均呈现BaMg6Ti6O19与BST两相共存结构，没有其他杂相生成；实施例2制得的复合型铁电薄膜的介电常数在不同外加偏压下的频谱分析图如图5所示，从图中可以看出其介电常数随频率增大而减小，在外加偏压的作用下，介电常数随外加偏压增大而减小，表明其具有一定的介电可调性；实施例2制得的复合型铁电薄膜在1MHz频率下的介电常数及介电损耗与外加偏压的关系图如图6所示，从图中可以看出，其介电常数适中，其介电损耗<0.005，可见其介电损耗较低，当外加偏压为40V时，介电常数的变化率为11.21％，可以较好的满足微波调谐器件材料的要求。
实施例3
其与实施例1，2的不同之处在于，改变硝酸镁的用量，组分采用Ba(1-x)SrxTiO3(x＝0.50)，薄膜的制备方法与实施例1相同。
最终制得摩尔百分比为3％的BaMg6Ti6O19和97％的Ba(1-x)SrxTiO3(x＝0.50)的复合型铁电薄膜。电性能测试采用光刻工艺在上表面制作Au叉指电极，厚度约为300nm。
实施例3制得的复合型铁电薄膜的X射线衍射分析图谱如图7所示，X射线衍射分析图谱显示两种组分薄膜均呈现BaMg6Ti6O19与BST两相共存结构，没有其他杂相生成；实施例3制得的复合型铁电薄膜的介电常数在不同外加偏压下的频谱分析图如图8所示，从图中可以看出其介电常数随频率增大而减小，在外加偏压的作用下，介电常数随外加偏压增大而减小，表明其具有一定的介电可调性；实施例3制得的复合型铁电薄膜在1MHz频率下的介电常数及介电损耗与外加偏压的关系图如图9所示，从图中可以看出，其介电常数适中，具有较低的介电损耗(<0.004)，当外加偏压为40V时，介电常数的变化率为10.81％，可以较好的满足微波调谐器件材料的要求。
实施例4
采用与实施例1相同的制备方法，各原料具体的用量为：醋酸钡：1.9157g，醋酸锶：0.5368g，硝酸镁：0.5128g，钛酸四正丁酯：3.4731g，乙酰丙酮：2.0024g；制得摩尔百分比为1％的BaMg6Ti6O19和99％的Ba(1-x)SrxTiO3x＝0.25的复合型铁电薄膜。
实施例5
采用与实施例1相同的制备方法，各原料具体的用量为：醋酸钡：0.8940g，醋酸锶：1.3957g，硝酸镁：0.7692g，钛酸四正丁酯：3.4731g，乙酰丙酮：2.0024g；制得摩尔百分比为3％的BaMg6Ti6O19和97％的Ba(1-x)SrxTiO3x＝0.65的复合型铁电薄膜。
实施例6
采用与实施例1相同的制备方法，各原料具体的用量为：醋酸钡：1.6602g，醋酸锶：0.7515g，硝酸镁：0.3846g，钛酸四正丁酯：3.4731g，乙酰丙酮：2.0024g；制得摩尔百分比为1.5％的BaMg6Ti6O19和98.5％的Ba(1-x)SrxTiO3x＝0.35的复合型铁电薄膜。
实施例7
采用与实施例1相同的制备方法，各原料具体的用量为：醋酸钡：1.4049g，醋酸锶：0.9662g，硝酸镁：0.6410g，钛酸四正丁酯：3.4731g，乙酰丙酮：2.0024g；制得摩尔百分比为2.5％的BaMg6Ti6O19和97.5％的Ba(1-x)SrxTiO3x＝0.45的复合型铁电薄膜。
实施例8
采用与实施例1相同的制备方法，各原料具体的用量为：醋酸钡：1.5326g，醋酸锶：0.8588g，硝酸镁：0.6410g，钛酸四正丁酯：3.4731g，乙酰丙酮：2.0024g；制得摩尔百分比为2.5％的BaMg6Ti6O19和97.5％的Ba(1-x)SrxTiO3x＝0.40的复合型铁电薄膜。
本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本发明保护范围。
Claims (2)
1、一种复合型铁电薄膜，其特征在于，按照摩尔百分比由1％～3％的BaMg6Ti6O19和97％～99％的Ba(1-x)SrxTiO3组成，其中x＝0.2～0.7。
2、制备权利要求1所述的复合型铁电薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、按照反应的产物为Ba(1-x)SrxTiO3 x＝0.2～0.7的配比，先将醋酸钡、醋酸锶在冰醋酸溶液中加热至沸腾，待冷却至室温时，再加入摩尔比为1：2的钛酸四正丁酯和乙酰丙酮的混合溶液，形成Ba(1-x)SrxTiO3溶液；
B、将硝酸镁溶于乙二醇乙醚中，搅拌至完全溶解并使Mg在溶液中的摩尔百分比为20～30％，并加入一定量的去离子水，最后将硝酸镁的乙二醇乙醚溶液加入步骤A获得的溶液中，并用冰醋酸调整溶液的摩尔浓度至0.10～0.20M，放置24小时后形成前驱体溶胶；
C、将步骤B获得的前驱体溶胶通过旋转涂覆的方法在Al2O3基底上制成凝胶膜；
D、将凝胶膜直接在500℃的环境下处理5～10分钟，取出后冷却至室温，涂覆下一层凝胶膜，循环往复直到获得所需厚度的凝胶膜，再在1100℃下处理60～180分钟。
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