CN103496747A - 一种铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜及其制备方法 - Google Patents

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本发明属于电子陶瓷的技术领域，具体的涉及一种铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜及其制备方法。该种铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜，包括以下原料：硝酸铁、硝酸铋、钛酸四丁酯、醋酸锶。该多铁复合薄膜具有稳定的结构，大大降低了漏电流密度，增强了铁电性能。

Description

一种铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于电子陶瓷的技术领域，具体的涉及一种铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜及其制备方法。 
背景技术
在一定温度下同时具有铁电性、铁磁性和铁弹性中两种或者两种以上性质的材料被称为多铁性材料。该材料互补了纯的（反-）铁电或（反-）铁磁材料的不足而同时呈现出电和磁的有序性。由于铁电性和磁性的共存使得多铁性材料具有磁电效应，即它可以在电场诱导下产生磁场，同时磁场作用下产生电极化，基于多铁材料这一特殊性质，使其在磁存储介质、信息检测等方面应用前景极为广泛。
铁酸铋（BiFeO3）是少数在室温下同时具有铁电性和反铁磁性的多铁材料，居里温度为830℃，奈尔温度为370℃，具有巨大的科研和应用价值。
BiFeO3存在的主要问题之一是具有较大的漏电流。由于漏电流严重，施加在BiFeO3薄膜上的有效电场就会很小，导致铁电畴无法翻转，甚至在很低的电压下材料就被击穿，无法获得饱和的极化因而无法显示其优良的铁电性能。 
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在的缺陷而提供一种铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜及其制备方法，该多铁复合薄膜具有稳定的结构，大大降低了漏电流密度，增强了铁电性能。
本发明的技术方案为：一种铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜，包括以下原料：硝酸铁、硝酸铋、钛酸四丁酯、醋酸锶。
一种所述铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）配制铁酸铋的前驱体溶液：首先称取硝酸铁和硝酸铋，然后依次加入乙酰丙酮和乙二醇；用磁力搅拌器充分搅拌7小时直至溶解； 最后加入冰醋酸调节pH值为0.3，搅拌24小时后得到透明、均匀、稳定的红色铁酸铋前驱体溶液；其中硝酸铁与硝酸铋的重量份比为1：（1～2）；硝酸铁与乙酰丙酮的质量体积比为0.3～0.4g/ml；乙酰丙酮与乙二醇的体积比为1:1；
（2）配制锶铋钛的前驱体溶液：a.首先将钛酸四丁酯与乙酰丙酮按体积比1:1进行混合，然后将混合后的溶液置于0℃的冰水中搅拌12h，得到澄清黄褐色透明的A溶液；b.首先称取硝酸铋和醋酸锶；然后将称取的硝酸铋和醋酸锶加入至溶剂乙二醇中，在磁力搅拌器上搅拌12h，得到澄清透明的B溶液，其中醋酸锶与硝酸铋的重量份比为1：（4～5），醋酸锶与乙二醇的质量体积比为0.04～0.05g/ml；c.将所制得的B溶液加入至A溶液中，混合后充分搅拌48h，得到淡黄色的锶铋钛前驱体溶液；
(3)将铁酸铋前驱体溶液与锶铋钛前驱体溶液按照体积比1:1混合，充分搅拌24小时，然后陈化24小时；
（4）将陈化后的混合溶液在匀胶机上匀胶，选择氧化铟锡为衬底，进行旋转涂膜，控制转速为2000r/min，时间为30s，制备得到模板晶粒膜；将得到的模板晶粒膜湿膜在热板上进行热解，热解温度为180℃，热解时间为1min；
（5）采用层层退火的工艺对涂膜后的氧化铟锡衬底进行退火热处理，每涂一层热处理一次，每次热处理分为热分解阶段和退火阶段， 热分解温度为300℃，热解时间为120s，退火温度为500℃，退火时间为180s。
所述步骤（1）中硝酸铁和硝酸铋为粉末状。
所述步骤（1）所得铁酸铋前驱体溶液的浓度为0.3mol/L。
所述步骤（2）所得锶铋钛前驱体溶液的浓度为0.1mol/L。
所述步骤（4）中所得模板晶粒膜单层膜的膜厚大于40nm小于50nm。
所述步骤（4）中进行旋转涂膜7层。
所述步骤（5）中进行退火热处理7次
本发明的有益效果为：采用铁酸铋与锶铋钛复合，制备出的铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜(Sr2Bi5FeTi5O21)，有效地改善了材料的稳定性；另外由于Bi2O2层和金属性较高的锶元素的协同作用，显著的降低了漏电流密度和改善了铁电性能。由于采用匀胶机可以有效的控制薄膜的均匀性，采用了层层退火法显著的降低了薄膜的制备温度，这些都对实现与半导体工艺兼容有很高的现实意义。
为了降低BiFeO3的漏电流，用的锶铋钛（Sr2Bi4Ti5O18）与BiFeO3复合制备一种新的多铁材料Sr2Bi5FeTi5O21。Sr2Bi4Ti5O18与BiFeO3具有相同的钙钛矿结构，Sr2Bi4Ti5O18由Bi2O2层和TiO6八面体组成，而Bi2O2层可以容纳一部分氧空位，另外还可以阻止自由电荷的跃迁，因此可以很大程度上降低漏电流密度；由于锶是金属性强的元素，锶的加入可以使BiFeO3的漏电流密度大幅降低。因此由二者的协同作用可以制备出具有较低漏电流密度，较好铁磁性的一种新的多铁材料，将会有更大的实用价值。
通过复合这两种化合物形成铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜Sr2Bi5FeTi5O21，采用有机金属热沉积的方法和层层退火工艺，使其性能得到大大提高。
在进行测试材料铁电性能时，电滞回线是铁电性能特有的曲线，矩形度越好，说明铁电性越好，漏电越小。通过图2、图3、图4电滞回线的对比可知，图4的曲线矩形度最好，说明铁电性较好，漏电越小。由此可知，本发明的铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜具有稳定的结构，大大降低了漏电流密度，增强了铁电性能。
附图说明
图1为本发明铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的结构曲线（XRD曲线）；
图2为铁酸铋薄膜的电滞回线；
图3为锶铋钛薄膜的电滞回线；
图4为本发明铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的电滞回线。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细的说明。
所述铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜，包括以下原料：硝酸铁、硝酸铋、钛酸四丁酯、醋酸锶。
该铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）配制铁酸铋的前驱体溶液：首先称取粉末状硝酸铁3.6727g和硝酸铋4.8753g，然后先加入10ml乙酰丙酮作为螯合剂，再加入10ml乙二醇作为溶剂；用磁力搅拌器充分搅拌7小时直至溶解； 最后加入10ml冰醋酸调节pH值为0.3，搅拌24小时后得到透明、均匀、稳定的红色铁酸铋前驱体溶液，该铁酸铋前驱体溶液的浓度为0.3 mol/L； 
（2）配制锶铋钛的前驱体溶液：a.首先将钛酸四丁酯与乙酰丙酮按体积比1:1进行混合，然后将混合后的溶液置于0℃的冰水中搅拌12h，得到澄清黄褐色透明的A溶液；b.首先称取硝酸铋12.4148g和醋酸锶2.4978g；然后将称取的硝酸铋和醋酸锶加入至52ml溶剂乙二醇中，在磁力搅拌器上搅拌12h，得到澄清透明的B溶液；c.将所制得的B溶液加入至A溶液中，混合后充分搅拌48h，得到淡黄色的锶铋钛前驱体溶液,该锶铋钛前驱体溶液浓度为0.1 mol/L；
 (3)将铁酸铋前驱体溶液与锶铋钛前驱体溶液按照体积比1:1混合，充分搅拌24小时，然后陈化24小时；
（4）将陈化后的混合溶液在匀胶机上匀胶，选择ITO/glass(氧化铟锡)为衬底，进行旋转涂膜，控制转速为2000r/min，时间为30s，制备得到模板晶粒膜，使得模板晶粒膜湿膜单层膜的膜厚大于40nm小于50nm；将得到的模板晶粒膜湿膜在热板上进行热解，热解温度为180℃，热解时间为1min；其中ITO/glass衬底为市售，销售单位：武汉格奥科教仪器有限公司，ITO/glass尺寸规格为：10×10×2.0mm，面电阻为15欧。
（5）采用层层退火的工艺对涂膜后的ITO/glass衬底（氧化铟锡）进行退火热处理，每涂一层热处理一次，每次热处理分为热分解阶段和退火阶段， 热分解温度为300℃，热解时间为120s，退火温度为500℃，退火时间为180s。重复旋转涂膜直到7层，并热处理7次。
采用实施例所制备的铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的结构曲线（XRD曲线）如图1所示，由图1可知主晶相均已经形成，其中BFO是铁酸铋、SBT是锶铋钛、SBT-BFO是铁酸铋-锶铋钛。 

Claims (8)

1.一种铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜，其特征在于，包括以下原料：硝酸铁、硝酸铋、钛酸四丁酯、醋酸锶。
2.一种权利要求1所述铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）配制铁酸铋的前驱体溶液：首先称取硝酸铁和硝酸铋，然后依次加入乙酰丙酮和乙二醇；用磁力搅拌器充分搅拌7小时直至溶解； 最后加入冰醋酸调节pH值为0.3，搅拌24小时后得到透明、均匀、稳定的红色铁酸铋前驱体溶液；其中硝酸铁与硝酸铋的重量份比为1：（1～2）；硝酸铁与乙酰丙酮的质量体积比为0.3～0.4g/ml；乙酰丙酮与乙二醇的体积比为1:1；
（2）配制锶铋钛的前驱体溶液：a.首先将钛酸四丁酯与乙酰丙酮按体积比1:1进行混合，然后将混合后的溶液置于0℃的冰水中搅拌12h，得到澄清黄褐色透明的A溶液；b.首先称取硝酸铋和醋酸锶；然后将称取的硝酸铋和醋酸锶加入至溶剂乙二醇中，在磁力搅拌器上搅拌12h，得到澄清透明的B溶液，其中醋酸锶与硝酸铋的重量份比为1：（4～5），醋酸锶与乙二醇的质量体积比为0.04～0.05g/ml；c.将所制得的B溶液加入至A溶液中，混合后充分搅拌48h，得到淡黄色的锶铋钛前驱体溶液；
(3)将铁酸铋前驱体溶液与锶铋钛前驱体溶液按照体积比1:1混合，充分搅拌24小时，然后陈化24小时；
（4）将陈化后的混合溶液在匀胶机上匀胶，选择氧化铟锡为衬底，进行旋转涂膜，控制转速为2000r/min，时间为30s，制备得到模板晶粒膜；将得到的模板晶粒膜湿膜在热板上进行热解，热解温度为180℃，热解时间为1min；
（5）采用层层退火的工艺对涂膜后的氧化铟锡衬底进行退火热处理，每涂一层热处理一次，每次热处理分为热分解阶段和退火阶段， 热分解温度为300℃，热解时间为120s，退火温度为500℃，退火时间为180s。
3.根据权利要求2所述铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中硝酸铁和硝酸铋为粉末状。
4.根据权利要求2所述铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）所得铁酸铋前驱体溶液的浓度为0.3mol/L。
5.根据权利要求2所述铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）所得锶铋钛前驱体溶液的浓度为0.1mol/L。
6.根据权利要求2所述铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中所得模板晶粒膜单层膜的膜厚大于40nm小于50nm。
7.根据权利要求2所述铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中进行旋转涂膜7层。
8.根据权利要求2所述铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中进行退火热处理7次。
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