发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,解决现有技术中的问题本发明发明人通过液相化学中的溶胶凝胶技术制备MgO薄膜作为缓冲层对钛酸锶钡材料进行改性,从而实现对其介电性能的优化。
本发明第一方面提供一种钛酸锶钡薄膜的制备方法,包括如下步骤:
a、配制MgO前驱体溶液;
b、配制BaxSr1-xTiO3前驱体溶液,x=0.4~0.9;
c、将基片清洗干净后烘干;
d、在步骤c获得的基片上,使用MgO前驱体溶液进行一次以上的旋转涂覆,得到第一层薄膜;
e、在步骤d获得的第一层薄膜上,使用BaxSr1-xTiO3前驱体溶液进行一次以上旋转涂覆;
f、将步骤e得到的薄膜进行退火,即得钛酸锶钡薄膜。
优选的,所述步骤a中,配制MgO前驱体溶液的方法为:将乙酸镁、乙酰丙酮溶于冰醋酸和乙二醇乙醚,配制为MgO前驱体溶液,MgO前驱体溶液中Mg离子的浓度为0.1~0.3mol/L。
优选的,所述配制MgO前驱体溶液的方法为:先将乙酸镁溶于适量的冰醋酸溶液中;将2倍于乙酸镁物质的量的乙酰丙酮和乙二醇乙醚充分混合,所述乙酰丙酮和乙二醇乙醚的固液比为g/L=1:0.0082-0.0247将乙酰丙酮和乙二醇乙醚混合溶液加入到乙酸镁的乙酸溶液中,乙酰丙酮和乙二醇乙醚的混合溶液中乙酰丙酮的物质的量为乙酸镁的乙酸溶液中镁物质的量的2倍;最后加入冰醋酸将最终溶液的Mg离子的浓度调整到0.1~0.3mol/L,搅拌后得到MgO的前驱体溶液。
优选的,所述步骤b中,配制BaxSr1-xTiO3前驱体容易的方法为:将乙酸钡、乙酸锶、钛酸四正丁酯、乙酰丙酮溶于冰醋酸,配制为BaxSr1-xTiO3前驱体溶液,BaxSr1-xTiO3前驱体溶液中Ti离子的浓度为0.1~0.3mol/L。
优选的,所述配制BaxSr1-xTiO3前驱体溶液的方法为:先将乙酸钡和乙酸锶按照BaxSr1-xTiO3溶于适量的冰醋酸溶液中;将摩尔比为1:2的钛酸四正丁酯和乙酰丙酮充分混合,并将此混合溶液加入到乙酸钡和乙酸锶的乙酸溶液中,其中钛的物质的量始终等于钡和锶物质的量总和;最后加入冰醋酸将最终溶液的Ti离子的浓度调整到0.1~0.3mol/L,搅拌后得到BaxSr1-xTiO3的前驱体溶液。
优选的,所述步骤c中,所述基片为多晶Al2O3基片。
优选的,所述步骤c中,清洗基片所用的溶剂为丙酮、去离子水和无水乙醇。
所述清洗基片所用溶剂的顺序依次为丙酮、去离子水和无水乙醇。
优选的,所述步骤d中,使用MgO前驱体溶液进行一次旋转涂覆的具体过程为:在室温下在步骤c获得的基片上进行涂覆,旋转速度2800-3200转/分,匀胶时间为15-25秒;涂覆完成后,在150-250℃热处理2-4分钟,300-400℃热处理2-4分钟,450-550℃热处理4-6分钟。
优选的,所述步骤e中,使用BaxSr1-xTiO3前驱体溶液进行一次旋转涂覆的具体过程为:在室温下在步骤d获得的第一层薄膜上进行涂覆,旋转速度2800-3200转/分,匀胶时间为15-25秒;涂覆完成后,在150-250℃热处理2-4分钟,300-400℃热处理2-4分钟,450-550℃热处理4-6分钟。
优选的,所述步骤d中每次旋转涂覆所增加的薄膜厚度为4~6nm。
优选的,所述步骤f中,退火的温度为750-850℃,时间为2.5-3.5小时。
本发明第二方面提供一种钛酸锶钡薄膜的制备方法在制备钛酸锶钡铁电薄膜领域的应用。
本发明发明人利用光刻技术在步骤f得到的薄膜上制备插指电极,以表征薄膜的电性能。
本发明发明人通过MgO缓冲层的引入减小钛酸锶钡铁电薄膜介电损耗的方法,是一种化学制备方法,其衬底采用多晶Al2O3,其热处理工艺为一种快速热处理方法。
本发明利用溶胶-凝胶的方法,以多晶Al2O3为衬底,通过引入MgO缓冲层的方法,制备出优良性能的钛酸锶钡铁电薄膜,本发明制备的钛酸锶钡铁电薄膜具有较低的介电损耗,其介电损耗接近在MgO衬底上采用同样工艺所制备的钛酸锶钡薄膜的介电损耗,但其介电常数较在MgO衬底上制备的钛酸锶钡薄膜的介电常数高。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
须知,下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置;所有压力值和范围都是指绝对压力。
此外应理解,本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤,除非另有说明;还应理解,本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置,除非另有说明。而且,除非另有说明,各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具,而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容的情况下,当亦视为本发明可实施的范畴。
如整个说明书中所使用的,下述缩写具有下述含义,除非文中明显另有所指:℃=摄氏度;L=升;mol=摩尔;nm=纳米;ml=毫升;um=微米。
实施例1
在多晶Al2O3衬底上制备有MgO缓冲层的BaxSr1-xTiO3铁电薄膜,其中x=0.6。
a、所采用的化学原料为乙酸镁、乙酰丙酮、冰醋酸和乙二醇乙醚。先将0.6068g乙酸镁溶于适量的冰醋酸溶液中加热至沸腾,然后停止加热,并冷却至室温;将2倍于乙酸镁物质的量的乙酰丙酮和15ml乙二醇乙醚充分混合,并将此混合溶液加入到乙酸镁的乙酸溶液中,最后加入冰醋酸将最终溶液的Mg离子的浓度调整到0.1mol/L,搅拌1小时,得到MgO的前驱体溶液。放置24小时后用来制备薄膜;
b、所采用的化学原料为乙酸钡、乙酸锶、钛酸四正丁酯、乙酰丙酮和冰醋酸。先将0.9288g乙酸钡和0.5258g乙酸锶按照Ba0.6Sr0.4TiO3溶于适量的冰醋酸溶液中加热至沸腾,然后停止加热,并冷却至室温;将摩尔比为1:2的2.0839g钛酸四正丁酯和1.2136g乙酰丙酮充分混合,并将此混合溶液加入到乙酸钡和乙酸锶的乙酸溶液中,最后加入冰醋酸将最终溶液的Ti离子的浓度调整到0.2mol/L,搅拌1小时,得到Ba0.6Sr0.4TiO3的前驱体溶液。放置24小时后用来制备薄膜;
c、将多晶Al2O3基片用丙酮、去离子水、无水乙醇清洗干净后烘干;
d、在步骤c获得的基片上,将步骤a得到的前驱体溶液旋转涂覆第一层薄膜,旋转速度为3000转/分,匀胶时间为20秒;
e、对步骤d得到的第一层薄膜采用200℃热处理3分钟,350℃热处理3分钟,500℃热处理5分钟;
f、在步骤e得到的第一层薄膜上旋转涂覆多层步骤a得到的前驱体溶液,且旋转涂覆每层后,在200℃热处理3分钟,350℃热处理3分钟,500℃热处理5分钟;之后再在得到的薄膜上面旋转涂覆多层步骤b得到的前驱体溶液,且旋转涂覆每层后,在200℃热处理3分钟,350℃热处理3分钟,500℃热处理5分钟;
g、将步骤f得到的薄膜在800℃下退火3小时,即可制备出钛酸锶钡铁电薄膜;
实施例2
在多晶Al2O3衬底上制备有MgO缓冲层的BaxSr1-xTiO3铁电薄膜,其中x=0.6。
a、所采用的化学原料为乙酸镁、乙酰丙酮、冰醋酸和乙二醇乙醚。先将1.3000g乙酸镁溶于适量的冰醋酸溶液中加热至沸腾,然后停止加热,并冷却至室温;将2倍于乙酸镁物质的量的乙酰丙酮和15ml乙二醇乙醚充分混合,并将此混合溶液加入到乙酸镁的乙酸溶液中,最后加入冰醋酸将最终溶液的Mg离子的浓度调整到0.2mol/L,搅拌1小时,得到MgO的前驱体溶液。放置24小时后用来制备薄膜;
b、所采用的化学原料为乙酸钡、乙酸锶、钛酸四正丁酯、乙酰丙酮和冰醋酸。先将0.9288g乙酸钡和0.5258g乙酸锶按照Ba0.6Sr0.4TiO3溶于适量的冰醋酸溶液中加热至沸腾,然后停止加热,并冷却至室温;将摩尔比为1:2的2.0839g钛酸四正丁酯和1.2136g乙酰丙酮充分混合,并将此混合溶液加入到乙酸钡和乙酸锶的乙酸溶液中,最后加入冰醋酸将最终溶液的Ti离子的浓度调整到0.2mol/L,搅拌1小时,得到Ba0.6Sr0.4TiO3的前驱体溶液。放置24小时后用来制备薄膜;
c、将多晶Al2O3基片用丙酮、去离子水、无水乙醇清洗干净后烘干;
d、在步骤c获得的基片上,将步骤a得到的前驱体溶液旋转涂覆第一层薄膜,旋转速度为3000转/分,匀胶时间为20秒;
e、对步骤d得到的第一层薄膜采用200℃热处理3分钟,350℃热处理3分钟,500℃热处理5分钟;
f、在步骤e得到的第一层薄膜上旋转涂覆多层步骤a得到的前驱体溶液,且旋转涂覆每层后,在200℃热处理3分钟,350℃热处理3分钟,500℃热处理5分钟;之后再在得到的薄膜上面旋转涂覆多层步骤b得到的前驱体溶液,且旋转涂覆每层后,在200℃热处理3分钟,350℃热处理3分钟,500℃热处理5分钟;
g、将步骤f得到的薄膜在800℃下退火3小时,即可制备出钛酸锶钡铁电薄膜;
电性能的测试是采用光刻的方法在薄膜的上表面制备插指电极,插指长度为700um,插指数为6对,插指宽度为3um,指间距为5um。
实施例2在多晶Al2O3衬底上的具有MgO缓冲层和没有MgO缓冲层的Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜的X射线衍射图谱(XRD)如图1所示;实施例2在多晶Al2O3衬底上的具有不同厚度MgO缓冲层和没有MgO缓冲层的Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜的频谱如图2所示;实施例2在多晶Al2O3衬底上的具有不同厚度MgO缓冲层和没有MgO缓冲层的Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜的介电常数随频率频谱的变化曲线如图3所示。
实施例3
在多晶Al2O3衬底上制备有MgO缓冲层的BaxSr1-xTiO3铁电薄膜,其中x=0.6。
a、所采用的化学原料为乙酸镁、乙酰丙酮、冰醋酸和乙二醇乙醚。先将1.9495g乙酸镁溶于适量的冰醋酸溶液中加热至沸腾,然后停止加热,并冷却至室温;将2倍于乙酸镁物质的量的乙酰丙酮和15ml乙二醇乙醚充分混合,并将此混合溶液加入到乙酸镁的乙酸溶液中,最后加入冰醋酸将最终溶液的Mg离子的浓度调整到0.3mol/L,搅拌1小时,得到MgO的前驱体溶液。放置24小时后用来制备薄膜;
b、所采用的化学原料为乙酸钡、乙酸锶、钛酸四正丁酯、乙酰丙酮和冰醋酸。先将0.9288g乙酸钡和0.5258g乙酸锶按照Ba0.6Sr0.4TiO3溶于适量的冰醋酸溶液中加热至沸腾,然后停止加热,并冷却至室温;将摩尔比为1:2的2.0839g钛酸四正丁酯和1.2136g乙酰丙酮充分混合,并将此混合溶液加入到乙酸钡和乙酸锶的乙酸溶液中,最后加入冰醋酸将最终溶液的Ti离子的浓度调整到0.2mol/L,搅拌1小时,得到Ba0.6Sr0.4TiO3的前驱体溶液。放置24小时后用来制备薄膜;
c、将多晶Al2O3基片用丙酮、去离子水、无水乙醇清洗干净后烘干;
d、在步骤c获得的基片上,将步骤a得到的前驱体溶液旋转涂覆第一层薄膜,旋转速度为3000转/分,匀胶时间为20秒;
e、对步骤d得到的第一层薄膜采用200℃热处理3分钟,350℃热处理3分钟,500℃热处理5分钟;
f、在步骤e得到的第一层薄膜上旋转涂覆多层步骤a得到的前驱体溶液,且旋转涂覆每层后,在200℃热处理3分钟,350℃热处理3分钟,500℃热处理5分钟;之后再在得到的薄膜上面旋转涂覆多层步骤b得到的前驱体溶液,且旋转涂覆每层后,在200℃热处理3分钟,350℃热处理3分钟,500℃热处理5分钟;
g、将步骤f得到的薄膜在800℃下退火3小时,即可制备出钛酸锶钡铁电薄膜。
实施例4
在多晶Al2O3衬底上制备有MgO缓冲层的BaxSr1-xTiO3铁电薄膜,其中x=0.4。
a、所采用的化学原料为乙酸镁、乙酰丙酮、冰醋酸和乙二醇乙醚。先将1.9495g乙酸镁溶于适量的冰醋酸溶液中加热至沸腾,然后停止加热,并冷却至室温;将2倍于乙酸镁物质的量的乙酰丙酮和15ml乙二醇乙醚充分混合,并将此混合溶液加入到乙酸镁的乙酸溶液中,最后加入冰醋酸将最终溶液的Mg离子的浓度调整到0.3mol/L,搅拌1小时,得到MgO的前驱体溶液。放置24小时后用来制备薄膜;
b、所采用的化学原料为乙酸钡、乙酸锶、钛酸四正丁酯、乙酰丙酮和冰醋酸。先将0.6192g乙酸钡和0.7808g乙酸锶按照Ba0.4Sr0.6TiO3溶于适量的冰醋酸溶液中加热至沸腾,然后停止加热,并冷却至室温;将摩尔比为1:2的2.0839g钛酸四正丁酯和1.2136g乙酰丙酮充分混合,并将此混合溶液加入到乙酸钡和乙酸锶的乙酸溶液中,最后加入冰醋酸将最终溶液的Ti离子的浓度调整到0.2mol/L,搅拌1小时,得到Ba0.4Sr0.6TiO3的前驱体溶液。放置24小时后用来制备薄膜;
c、将多晶Al2O3基片用丙酮、去离子水、无水乙醇清洗干净后烘干;
d、在步骤c获得的基片上,将步骤a得到的前驱体溶液旋转涂覆第一层薄膜,旋转速度为3000转/分,匀胶时间为20秒;
e、对步骤d得到的第一层薄膜采用200℃热处理3分钟,350℃热处理3分钟,500℃热处理5分钟;
f、在步骤e得到的第一层薄膜上旋转涂覆多层步骤a得到的前驱体溶液,且旋转涂覆每层后,在200℃热处理3分钟,350℃热处理3分钟,500℃热处理5分钟;之后再在得到的薄膜上面旋转涂覆多层步骤b得到的前驱体溶液,且旋转涂覆每层后,在200℃热处理3分钟,350℃热处理3分钟,500℃热处理5分钟;
g、将步骤f得到的薄膜在800℃下退火3小时,即可制备出钛酸锶钡铁电薄膜。
实施例5
在多晶Al2O3衬底上制备有MgO缓冲层的BaxSr1-xTiO3铁电薄膜,其中x=0.9。
a、所采用的化学原料为乙酸镁、乙酰丙酮、冰醋酸和乙二醇乙醚。先将1.9495g乙酸镁溶于适量的冰醋酸溶液中加热至沸腾,然后停止加热,并冷却至室温;将2倍于乙酸镁物质的量的乙酰丙酮和15ml乙二醇乙醚充分混合,并将此混合溶液加入到乙酸镁的乙酸溶液中,最后加入冰醋酸将最终溶液的Mg离子的浓度调整到0.3mol/L,搅拌1小时,得到MgO的前驱体溶液。放置24小时后用来制备薄膜;
b、所采用的化学原料为乙酸钡、乙酸锶、钛酸四正丁酯、乙酰丙酮和冰醋酸。先将1.3932g乙酸钡和0.1301g乙酸锶按照Ba0.9Sr0.1TiO3溶于适量的冰醋酸溶液中加热至沸腾,然后停止加热,并冷却至室温;将摩尔比为1:2的2.0839g钛酸四正丁酯和1.2136g乙酰丙酮充分混合,并将此混合溶液加入到乙酸钡和乙酸锶的乙酸溶液中,最后加入冰醋酸将最终溶液的Ti离子的浓度调整到0.2mol/L,搅拌1小时,得到Ba0.9Sr0.1TiO3的前驱体溶液。放置24小时后用来制备薄膜;
c、将多晶Al2O3基片用丙酮、去离子水、无水乙醇清洗干净后烘干;
d、在步骤c获得的基片上,将步骤a得到的前驱体溶液旋转涂覆第一层薄膜,旋转速度为3000转/分,匀胶时间为20秒;
e、对步骤d得到的第一层薄膜采用200℃热处理3分钟,350℃热处理3分钟,500℃热处理5分钟;
f、在步骤e得到的第一层薄膜上旋转涂覆多层步骤a得到的前驱体溶液,且旋转涂覆每层后,在200℃热处理3分钟,350℃热处理3分钟,500℃热处理5分钟;之后再在得到的薄膜上面旋转涂覆多层步骤b得到的前驱体溶液,且旋转涂覆每层后,在200℃热处理3分钟,350℃热处理3分钟,500℃热处理5分钟;
g、将步骤f得到的薄膜在800℃下退火3小时,即可制备出钛酸锶钡铁电薄膜。
综上所述,本发明所提供钛酸锶钡薄膜的制备方法有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。