CN102603360A - 一种制备铁酸铋薄膜材料的方法 - Google Patents

一种制备铁酸铋薄膜材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备铁酸铋薄膜材料的方法，首先进行衬底的预处理，然后进行BiFeO3前驱体溶液的配置，最后完成薄膜材料的制备。本发明采用简单的溶胶-凝胶方法在LaNiO3底电极上制备了BiFeO3薄膜，获得了相对大的剩余极化和饱和的电滞回线。本发明以水作溶剂，成本低廉且无污染；本发明的制备成本低、利于大规模的工业化生产；配制的前驱体溶液性能稳定，可以长期保存。

Description

一种制备铁酸铋薄膜材料的方法
技术领域
本发明涉及一种铁酸铋薄膜的制备方法，具体是指一种基于湿化学方法制备铁酸铋薄膜材料的方法。
背景技术
磁电多铁材料是指在一定的温度范围内表现出共存的铁电有序和磁性有序的材料，其铁电性和铁磁性的耦合还能产生新的磁电耦合效应，该效应使得器件设计的自由度大为增加。随着整机和系统向着小型化、轻量化、集成化的方向发展，它在电子传感，信息存储和读取，能量转换、集成电路等诸多领域具有广阔的应用前景。
铁酸铋(BiFeO3，BFO)是目前发现的唯一在室温下同时具有铁电性和反铁磁性的单相多铁材料。BiFeO3的铁电居里温度为820℃，反铁磁奈尔温度为370℃，最近因为在钙钛矿单晶衬底上的外延生长获得了极强的铁电性而成为研究热点。目前铁酸铋的主要制备方法有脉冲激光沉积法、射频磁控溅射法、溶胶-凝胶法等，相对于物理方法而言，溶胶-凝胶方法设备简单，化学组分计量精确，容易大面积成膜，但是此方法不易制备外延铁酸铋薄膜，而且得到的薄膜漏导较大，对前驱体溶液要求较高，容易污染环境，因此对铁酸铋薄膜的溶胶-凝胶法的制备工艺进行改进是必要的。
发明内容
为了克服现有技术工艺复杂、成本高的不足，本发明提供一种铁酸铋薄膜的制备方法，采用简单的溶胶-凝胶方法在LaNiO3底电极上制备了BiFeO3薄膜，获得了相对大的剩余极化和饱和的电滞回线，而且工艺简便，成本低廉、重复性好。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤一，衬底的预处理：
将Si(100)/SiO2衬底用丙酮在超声清洗器中充分清洗后，用去离子水煮沸10分钟，再用乙醇在超声清洗器中充分清洗，最后放在红外灯下烘干，备用；
在Si(100)/SiO2衬底上采用湿化学方法生长LaNiO3底电极。
步骤二，铁酸铋(BiFeO3)前驱体溶液的配置：
a)称取一定量(2.0201～6.0603g，0.005～0.015mol)的硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)，加入15ml的去离子水，在50～80℃下搅拌10～30min使之完全溶解；向其中加入0.5～1.5ml的浓硝酸(16mol/L)，溶液变为无色，按铁∶三乙醇胺为1∶0.5～2的摩尔比加入三乙醇胺，搅拌0.5～2h。
b)称取和硝酸铁等摩尔量(2.4255g～7.2765g，0.005～0.015mol)的硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)，加入15ml的去离子水，在50～80℃下搅拌10～30min，向其中加入0.5～1.5ml的浓硝酸(16mol/L)，溶液为无色，按铋∶三乙醇胺为1∶0.5～2的摩尔比加入三乙醇胺，搅拌0.5～2h。
c)混合步骤a)和b)制备的溶液，加入3～5g丙三醇搅拌0.5～1h，再加入6～14ml质量百分比为1.25％的聚乙烯醇(PVA)水溶液，搅拌1～3h，得到混合溶液，用慢速滤纸对混合溶液过滤，得到透明的铁酸铋前驱体溶液。所述的慢速滤纸是定性慢速滤纸，型号是103。
步骤三，薄膜材料的制备：
a)将BiFeO3前驱体溶液通过匀胶机旋涂到涂覆有LaNiO3底电极的Si(100)/SiO2衬底上，以3000～5000r/min旋涂20s～30s，得到凝胶膜。
b)将凝胶膜置于退火炉中分段进行热处理，即在130～200℃加热10～30min，再在300～400℃热解15～30min，重复上述过程，直到所需厚度，最后在500～600℃高温退火1h制得BiFeO3薄膜。
本发明的有益效果是：本发明摒弃了现有技术中常用的冰乙酸和乙二醇甲醚作溶剂，以水作溶剂，成本低廉且无污染；本发明的制备成本低、利于大规模的工业化生产；配制的前驱体溶液性能稳定，可以长期保存。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明实施例中所制备BiFeO3薄膜的XRD图谱；
图2为本发明实施例中所制备BiFeO3薄膜的扫描电镜照片；
图3为本发明实施例中所制备BiFeO3薄膜的电滞回线；
图4为本发明的实施流程图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
将Si(100)/SiO2衬底用丙酮在超声清洗器中充分清洗后，用去离子水煮沸10min，再用乙醇在超声清洗器中充分清洗后放在红外灯下烘干，备用；
a称取一定量(2.0201g，0.005mol)的硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)，加入15ml的去离子水，在50℃下搅拌30min使之完全溶解；向其中加入0.5ml的浓硝酸(16mol/L)，溶液变为无色，按铁∶三乙醇胺为1∶0.5的摩尔比加入三乙醇胺，搅拌0.5h。
b称取和硝酸铁等摩尔量(2.4255g，0.005mol)的硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)，加入15ml的去离子水，在50℃下搅拌30min，向其中加入1.5ml的浓硝酸(16mol/L)，溶液为无色，按铋∶三乙醇胺为1∶2的摩尔比加入三乙醇胺，搅拌2h。
c混合步骤a和b制备的溶液，加入3g丙三醇搅拌0.5h，再加入6ml 1.25％的聚乙烯醇(PVA)水溶液，搅拌1h，用慢速滤纸对混合溶液过滤，得到透明的铁酸铋前驱体溶液。将BiFeO3前驱体通过匀胶机旋涂到涂覆有LaNiO3底电极的基片上，以3000r/min旋涂30s，得到凝胶膜。将凝胶膜置于退火炉中分段进行热处理，即在200℃加热10min，再在300℃热解30min，重复上述过程，直到所需厚度，最后在500℃高温退火1h制得BiFeO3薄膜。
实施例2
将Si(100)/SiO2衬底用丙酮在超声清洗器中充分清洗后，用去离子水煮沸10min，再用乙醇在超声清洗器中充分清洗后放在红外灯下烘干，备用；
a称取一定量(6.0603g，0.015mol)的硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)，加入15ml的去离子水，在80℃下搅拌10min使之完全溶解；向其中加入1.5ml的浓硝酸(16mol/L)，溶液变为无色，按铁∶三乙醇胺为1∶2的摩尔比加入三乙醇胺，搅拌2h。
b称取和硝酸铁等摩尔量(7.2765g，0.015mol)的硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)，加入15ml的去离子水，在80℃下搅拌10min，向其中加入1.5ml的浓硝酸(16mol/L)，溶液为无色，按铋∶三乙醇胺为1∶0.5的摩尔比加入三乙醇胺，搅拌0.5h。
c混合步骤a和b制备的溶液，加入4g丙三醇搅拌1h，再加入10ml 1.25％的聚乙烯醇(PVA)水溶液，搅拌2h，用慢速滤纸对混合溶液过滤，得到透明的铁酸铋前驱体溶液。将BiFeO3前驱体通过匀胶机旋涂到涂覆有LaNiO3底电极的基片上，以5000r/min旋涂20s，得到凝胶膜。将凝胶膜置于退火炉中分段进行热处理，即在150℃加热20min，再在350℃热解20min，重复上述过程，直到所需厚度，最后在600℃高温退火1h制得BiFeO3薄膜。
实施例3
将Si(100)/SiO2衬底用丙酮在超声清洗器中充分清洗后，用去离子水煮沸10min，再用乙醇在超声清洗器中充分清洗后放在红外灯下烘干，备用；
a称取一定量(4.0402g，0.01mol)的硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)，加入15ml的去离子水，在70℃下搅拌15min使之完全溶解；向其中加入1ml的浓硝酸(16mol/L)，溶液变为无色，按铁∶三乙醇胺为1∶1的摩尔比加入三乙醇胺，搅拌1h。
b称取和硝酸铁等摩尔量(4.8510g，0.01mol)的硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)，加入15ml的去离子水，在50℃下搅拌30min，向其中加入1ml的浓硝酸(16mol/L)，溶液为无色，按铋∶三乙醇胺为1∶1的摩尔比加入三乙醇胺，搅拌1h。
c混合步骤a和b制备的溶液，加入5g丙三醇搅拌1h，再加入14ml 1.25％的聚乙烯醇(PVA)水溶液，搅拌3h，用慢速滤纸对混合溶液过滤，得到透明的铁酸铋前驱体溶液。将BiFeO3前驱体通过匀胶机旋涂到涂覆有LaNiO3底电极的基片上，以4000r/min旋涂20s，得到凝胶膜。将凝胶膜置于退火炉中分段进行热处理，即在130℃加热30min，再在400℃热解15min，重复上述过程，直到所需厚度，最后在550℃高温退火1h制得BiFeO3薄膜。

Claims (1)

1.一种制备铁酸铋薄膜材料的方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一，衬底的预处理：
将Si(100)/SiO2衬底用丙酮在超声清洗器中充分清洗后，用去离子水煮沸10分钟，再用乙醇在超声清洗器中充分清洗，最后放在红外灯下烘干，备用；
在Si(100)/SiO2衬底上采用湿化学方法生长LaNiO3底电极；
步骤二，BiFeO3前驱体溶液的配置：
a)称取2.0201～6.0603g的Fe(NO3)3·9H2O，加入15ml的去离子水，在50～80℃下搅拌10～30min使之完全溶解；向其中加入0.5～1.5ml的浓度为16mol/L的硝酸，溶液变为无色，按铁∶三乙醇胺为1∶0.5～2的摩尔比加入三乙醇胺，搅拌0.5～2h；
b)称取和Fe(NO3)3·9H2O等摩尔量的Bi(NO3)3·5H2O，加入15ml的去离子水，在50～80℃下搅拌10～30min，向其中加入0.5～1.5ml的浓度为16mol/L的硝酸，溶液为无色，按铋∶三乙醇胺为1∶0.5～2的摩尔比加入三乙醇胺，搅拌0.5～2h；
c)混合步骤a)和b)制备的溶液，加入3～5g丙三醇搅拌0.5～1h，再加入6～14ml质量百分比为1.25％的聚乙烯醇水溶液，搅拌1～3h，得到混合溶液，用慢速滤纸对混合溶液过滤，得到透明的BiFeO3前驱体溶液；
步骤三，薄膜材料的制备：
a)将BiFeO3前驱体溶液旋涂到涂覆有LaNiO3底电极的Si(100)/SiO2衬底上，以3000～5000r/min旋涂20s～30s，得到凝胶膜；
b)将凝胶膜置于退火炉中分段进行热处理，即在130～200℃加热10～30min，再在300～400℃热解15～30min，重复上述过程，直到所需厚度，最后在500～600℃高温退火1h制得BiFeO3薄膜。
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