CN101186341A - 一种(100)择优取向铁酸铋薄膜的制备方法 - Google Patents

一种(100)择优取向铁酸铋薄膜的制备方法 Download PDF

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一种(100)择优取向铁酸铋薄膜的制备方法，它涉及一种薄膜材料的制备工艺。它解决现有技术中制备BiFeO3薄膜工艺复杂、成本高、结晶温度高、薄膜致密度低、颗粒分布不均、表面粗糙和无择优取向性的问题。其方法步骤是分别将硝酸铁和次硝酸铋与醋酸混合，再分别加乙二醇溶液，将两溶液混合搅拌得BiFeO3溶胶，然后将BiFeO3溶胶旋涂到清洗过的Pt/Ti/SiO2/Si基片上，干燥、焙烧，晶化热处理后得BiFeO3薄膜。本发明BiFeO3薄膜的制备成膜质量高、呈现(100)择优取向、铁电铁磁性能好、适用于工业化生产。

Description

一种(100)择优取向铁酸铋薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于薄膜材料领域。
背景技术
多铁性材料铁酸铋(BiFeO3)是室温单相铁电铁磁材料，在存储器、高电容和大电感一体化的电子元器件、自旋电子器件方面应用前景广阔，BiFeO3的研究日益受到人们的关注。
BiFeO3具有G-型反铁磁结构，块体材料和纳米粉末材料在室温下具有很小的磁性。随着纳米粒径的减小，BiFeO3的铁磁性逐渐增大，因此制备粒径可控的纳米尺寸BiFeO3粉体是提高其铁磁性的优良途径；现有技术生产的BiFeO3粉体磁滞回线矩形度不好，剩余磁化强度小仅为0.06emu/g，矫顽力大，为200～5000Oe。
目前，制备BiFeO3采用的溶胶凝胶法主要有柠檬酸络合法和金属醇盐水解聚合法。柠檬酸络合法形成钙钛矿纯相的温度高达500～550℃，反应条件高，且制备的薄膜致密度低、颗粒分布不均、表面粗糙、无择优取向性；金属醇盐法主要是采用金属醇盐为原料，但金属醇盐昂贵，容易水解，对湿度要求苛刻，增加反应难度。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中制备BiFeO3薄膜工艺复杂、成本高、结晶温度高、薄膜致密度低、颗粒分布不均、表面粗糙和无择优取向性的问题，而提供一种制备铁酸铋薄膜的方法。
一种(100)择优取向铁酸铋薄膜的制备方法按以下步骤实施：a、将硝酸铁与醋酸按1∶10～80摩尔比混合，然后缓慢加入浓度为99.0～99.8％的乙二醇溶液，使溶液中铁离子与乙二醇的摩尔比为1∶5～18，再搅拌8～12min；b、将次硝酸铋与醋酸按1∶50～400摩尔比混合，然后缓慢加入浓度为99.0～99.8％的乙二醇溶液，使溶液中铋离子与乙二醇的摩尔比为1∶5～18，再搅拌8～12min；c、将步骤a和b制备的溶液混合，再搅拌20～40min，得BiFeO3溶胶；d、将Pt/Ti/SiO2/Si基片分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗4～6min，干燥；e、将BiFeO3溶胶通过匀胶机旋涂到清洗过的Pt/Ti/SiO2/Si基片上，以1300～1700r/min旋涂10s，再以2800～3200r/min旋涂15s后在室温条件下干燥4～6min，再置于50～70℃条件下干燥20～40min；f、将干燥后的薄膜放入490～510℃马弗炉中焙烧8～12min后取出冷却至室温；g、将取出的薄膜放入马弗炉中，以5～10℃/min的速度升温到190～210℃并保温40～60min，然后升温到390～410℃再保温40～60min，之后以10℃/min的速度升温到490～510℃并保温20～40min，得BiFeO3薄膜。
本发明中BiFeO3溶胶可进一步制备成BiFeO3纳米粉体，其结构为R3c结构；且在室温下可得到矩形度很好的磁滞回线，饱和磁化强度好，剩余磁化强度大可达0.65emu/g，矫顽力小低至150Oe，BiFeO3纳米粉体的铁磁性能优良。本发明的优点是采用溶胶凝胶法制备铁酸铋薄膜材料，工艺简单、成本低、结晶温度低、薄膜致密度高、颗粒分布均匀、表面粗糙度小仅为2～4nm，且表现为(100)择优取向性薄膜，并可在大面积或者任意形状的基底上成膜，可得到厚度为80～300nm的薄膜，且这种薄膜铁电铁磁性好，适合工业化生产。
附图说明
图1是具体实施方式一中BiFeO3纳米粉体的XRD谱图，图2是具体实施方式一中BiFeO3纳米粉体的磁学性能测试谱图，图3是具体实施方式十一中所得BiFeO3薄膜XRD谱图，图4是具体实施方式十一中所得BiFeO3薄膜的原子力显微照片。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种(100)择优取向铁酸铋薄膜的制备方法按以下步骤实施：a、将硝酸铁与醋酸按1∶10～80摩尔比混合，然后缓慢加入浓度为99.0～99.8％的乙二醇溶液，使溶液中铁离子与乙二醇的摩尔比为1∶5～18，再搅拌8～12min；b、将次硝酸铋与醋酸按1∶50～400摩尔比混合，然后缓慢加入浓度为99.0～99.8％的乙二醇溶液，使溶液中铋离子与乙二醇的摩尔比为1∶5～18，再搅拌8～12min；c、将步骤a和b制备的溶液混合，再搅拌20～40min，得BiFeO3溶胶；d、将Pt/Ti/SiO2/Si基片分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗4～6min，干燥；e、将BiFeO3溶胶通过匀胶机旋涂到清洗过的Pt/Ti/SiO2/Si基片上，以1300～1700r/min旋涂10s，再以2800～3200r/min旋涂15s后在室温条件下干燥4～6min，再置于50～70℃条件下干燥20～40min；f、将干燥后的薄膜放入490～510℃马弗炉中焙烧8～12min后取出冷却至室温；g、将取出的薄膜放入马弗炉中，以5～10℃/min的速度升温到190～210℃并保温40～60min，然后升温到390～410℃再保温40～60min，之后以10℃/min的速度升温到490～510℃并保温20～40min，得BiFeO3薄膜。
本实施方式步骤c中得到的BiFeO3溶胶，在80℃下保温2天后，再置于100℃条件下形成干凝胶，然后以5℃/min的速度升温到300℃并保温1h，再升温到450℃再保温1h，降到室温后取出，得BiFeO3纳米粉体；XRD测试结果如图1所示，BiFeO3纳米粉体为R3c结构；磁学性能测试结果如图2所示，在室温下得到了矩形度很好的磁滞回线，饱和磁化强度好，剩余磁化强度大可达0.65emu/g，矫顽力小低至150Oe，说明BiFeO3纳米粉体的铁磁性能优良。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同是步骤a中将硝酸铁与醋酸按1∶40摩尔比混合，然后缓慢加入浓度为99.5％的乙二醇溶液，使溶液中铁离子与乙二醇的摩尔比为1∶10，再搅拌10min。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同是步骤b中将次硝酸铋与醋酸按1∶200摩尔比混合，然后缓慢加入浓度为99.5％的乙二醇溶液，使溶液中铋离子与乙二醇的摩尔比为1∶10，再搅拌10min。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同是步骤c中将步骤a和b制备的溶液混合，再搅拌30min，得BiFeO3溶胶。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的不同是步骤d中将Pt/Ti/SiO2/Si基片分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗5min。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一的不同是步骤e中以1500r/min旋涂10s，再以3000r/min旋涂15s。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一的不同是步骤e中在室温条件下干燥5min，再置于60℃条件下干燥30min。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一的不同是步骤f中将干燥后的薄膜放入500℃马弗炉中焙烧10min后取出冷却至室温。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一的不同是步骤f可重复操作2～10次。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九的不同是步骤f可重复操作6次。其它步骤及参数与具体实施方式九相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一的不同是步骤g中以8℃/min的速度升温到200℃并保温55min，然后升温到400℃再保温55min，之后以10℃/min的速度升温到500℃并保温30min，得BiFeO3薄膜。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
本实施方式中所得BiFeO3薄膜XRD测试结果如图3所示，BiFeO3薄膜呈现(100)择优取向，经性能测试，该薄膜的铁电铁磁性能显著提高；BiFeO3薄膜的原子力显微照片如图4所示，BiFeO3薄膜的表面粗糙度比较小仅为2～4nm，薄膜致密度高、颗粒分布均匀。

Claims (10)

1.一种(100)择优取向铁酸铋薄膜的制备方法，其特征在于一种(100)择优取向铁酸铋薄膜的制备方法步骤如下：a、将硝酸铁与醋酸按1∶10～80摩尔比混合，然后缓慢加入浓度为99.0～99.8％的乙二醇溶液，使溶液中铁离子与乙二醇的摩尔比为1∶5～18，再搅拌8～12min；b、将次硝酸铋与醋酸按1∶50～400摩尔比混合，然后缓慢加入浓度为99.0～99.8％的乙二醇溶液，使溶液中铋离子与乙二醇的摩尔比为1∶5～18，再搅拌8～12min；c、将步骤a和b制备的溶液混合，再搅拌20～40min，得BiFeO3溶胶；d、将Pt/Ti/SiO2/Si基片分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗4～6min，干燥；e、将BiFeO3溶胶通过匀胶机旋涂到清洗过的Pt/Ti/SiO2/Si基片上，以1300～1700r/min旋涂10s，再以2800～3200r/min旋涂15s后在室温条件下干燥4～6min，再置于50～70℃条件下干燥20～40min；f、将干燥后的薄膜放入490～510℃马弗炉中焙烧8～12min后取出冷却至室温；g、将取出的薄膜放入马弗炉中，以5～10℃/min的速度升温到190～210℃并保温40～60min，然后升温到390～410℃再保温40～60min，之后以10℃/min的速度升温到490～510℃并保温20～40min，得BiFeO3薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种(100)择优取向铁酸铋薄膜的制备方法，其特征在于步骤a中将硝酸铁与醋酸按1∶40摩尔比混合，然后缓慢加入浓度为99.5％的乙二醇溶液，使溶液中铁离子与乙二醇的摩尔比为1∶10，再搅拌10min。
3.根据权利要求1所述的一种(100)择优取向铁酸铋薄膜的制备方法，其特征在于步骤b中将次硝酸铋与醋酸按1∶200摩尔比混合，然后缓慢加入浓度为99.5％的乙二醇溶液，使溶液中铋离子与乙二醇的摩尔比为1∶10，再搅拌10min。
4.根据权利要求1所述的一种(100)择优取向铁酸铋薄膜的制备方法，其特征在于步骤c中将步骤a和b制备的溶液混合，再搅拌30min，得BiFeO3溶胶。
5.根据权利要求1所述的一种(100)择优取向铁酸铋薄膜的制备方法，其特征在于步骤d中将Pt/Ti/SiO2/Si基片分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗5min。
6.根据权利要求1所述的一种(100)择优取向铁酸铋薄膜的制备方法，其特征在于步骤e中以1500r/min旋涂10s，再以3000r/min旋涂15s。
7.根据权利要求1所述的一种(100)择优取向铁酸铋薄膜的制备方法，其特征在于步骤e中在室温条件下干燥5min，再置于60℃条件下干燥30min。
8.根据权利要求1所述的一种(100)择优取向铁酸铋薄膜的制备方法，其特征在于步骤f中将干燥后的薄膜放入500℃马弗炉中焙烧10min后取出冷却至室温。
9.根据权利要求1所述的一种(100)择优取向铁酸铋薄膜的制备方法，其特征在于步骤f可重复操作2～10次。
10.根据权利要求1所述的一种(100)择优取向铁酸铋薄膜的制备方法，其特征在于步骤g中以8℃/min的速度升温到200℃并保温55min，然后升温到400℃再保温55min，之后以10℃/min的速度升温到500℃并保温30min，得BiFeO3薄膜。
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Termination date: 20111203