CN104030680A - 钛酸锶钡介质薄膜的制备方法 - Google Patents

钛酸锶钡介质薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛酸锶钡介质薄膜的制备方法：将配置好的钡-锶-柠檬酸-乙二醇溶液加入到钛-柠檬酸-乙二醇水溶液中，得到钛酸锶钡前驱体溶胶，再将该前躯体溶胶均匀涂覆在基底上，得到多层薄膜，再予以干燥，于550～750℃热处理；并重复涂覆和热处理，直至薄膜厚度为300nm；最后再经550～750℃热处理后，制得钛酸锶钡介质薄膜。本发明以碳酸钡、碳酸锶及二氧化钛作为原料，替代了现有技术的部份醇盐及钛酸四丁酯，降低了生产成本，制得到的薄膜性能优异，过程简单，是一种Sol-Gel法制备钛酸锶钡介质薄膜的新工艺，具有广阔的应用前景。

Description

钛酸锶钡介质薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于电子信息材料与元器件领域，特别涉及一种用于微波调谐元器件的钛酸锶钡薄膜制备方法。
背景技术
钛酸锶钡(Ba1-xSrxTiO3,即BST)铁电薄膜具有介电性能优良、居里温度随组份改变以及介电常数随电场可调等特点，在动态随机存储器、室温红外探测器、微波调谐器件等领域具有广阔的应用前景，是铁电集成器件领域最广泛研究的材料之一，成为国内外研究的热点。
BST薄膜的制备方法主要有射频磁控溅射(RF-Magnetron sputtering)、脉冲激光沉积(PLD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)以及溶胶-凝胶法(Sol-Gel)；与其他方法相比，溶胶-凝胶法制备薄膜具有均匀性好、化学计量比容易控制、设备简单等优点，已被广泛用于铁电薄膜的制备；传统溶胶-凝胶法制备BST薄膜多采用钡、锶的醇盐或醋酸盐和钛酸四丁酯作原料，成本较高，原料化学性质不稳定且不易获得。以碳酸钡、碳酸锶及二氧化钛作为原料采用Sol-Gel制备BST铁电薄膜未见报道；本发明利用二氧化钛代替钛酸四丁酯，碳酸盐代替部份醇盐，采用Sol-Gel技术来制备Ba1-xSrxTiO3(BST)薄膜的新工艺。
发明内容
本发明的目的，在于克服传统溶胶-凝胶法制备BST薄膜多采用钡、锶的醇盐或醋酸盐和钛酸四丁酯作原料、成本较高、原料化学性质不稳定且不易获得的缺点，提供一种钛酸锶钡介质薄膜的制备方法，通过二氧化钛代替钛酸四丁酯，碳酸盐代替部份醇盐，以达到降低生产成本的目的。
本发明通过如下技术方案予以实现：
一种钛酸锶钡介质薄膜的制备方法，步骤如下：
(1)配制钛-柠檬酸-乙二醇溶液
①根据钛酸锶钡的化学计量比称取二氧化钛粉体，将二氧化钛放入氢氟酸中，水浴加热至其全部溶解；
②向步骤①的溶液中加入氨水，中和反应生成偏钛酸沉淀；
③抽滤、洗涤步骤②所得偏钛酸沉淀，然后将偏钛酸加入硝酸中，磁力搅拌至沉淀完全溶解，得到硝酸钛溶液；其中偏钛酸与硝酸的摩尔比为1:2；
④向步骤③所得硝酸钛溶液中加入柠檬酸，磁力搅拌使柠檬酸完全溶解；再向溶液中加入乙二醇溶液，加热磁力搅拌2h使溶液混合均匀，其中硝酸钛、柠檬酸与乙二醇之间的摩尔比为1:4:4；
⑤将步骤④所得溶液静置24h，使反应进行完全，得到钛-柠檬酸-乙二醇的硝酸水溶液；溶液经60℃磁力搅拌加热4h，得到稳定的钛-柠檬酸-乙二醇水溶液；
(2)配制钡-锶-柠檬酸-乙二醇溶液
①按照摩尔比例1：4制备柠檬酸-乙二醇溶液
②根据钛酸锶钡的化学计量比称取钛酸钡、钛酸锶，将其加入上述柠檬酸-乙二醇溶液中，磁力搅拌加热至粉体全部溶解，得到稳定的钡-锶-柠檬酸-乙二醇溶液；
(3)将步骤(2)配置的钡-锶-柠檬酸-乙二醇溶液加入步骤(1)配置钛-柠檬酸-乙二醇水溶液中，搅拌均匀得钛酸锶钡前驱体溶胶；
(4)向步骤(3)制得钛酸锶钡溶胶中加入甲醇做稀释剂，加热搅拌，得到所以需要的钛酸锶钡前驱体溶胶；
(5)将步骤(4)配置的前躯体溶胶滴在基底上，用台式匀胶机匀胶，使溶胶均匀地涂覆在基底上，制得多层薄膜，然后于热板上干燥；
(6)将步骤(5)干燥后的薄膜在550～750℃进行热处理；
(7)重复步骤(5)、(6)制备厚度为300nm的多层薄膜；
(8)将步骤(7)制备的多层薄膜再于550～750℃进行后处理，处理0.5～2h，得到钛酸锶钡介质薄膜。
所述步骤(5)的基底为SiO2/Si基底。
所述步骤(6)的热处理温度为650℃。
本发明的钛酸锶钡介质薄膜的制备方法，以碳酸钡、碳酸锶及二氧化钛作为原料，替代了现有技术的部份醇盐及钛酸四丁酯，降低了薄膜的生产成本。此外，该制备工艺获得薄膜性能优异，过程简单，是一种Sol-Gel法制备BST薄膜的新工艺，具有广阔的应用前景。
本发明采用日本理学公司DMAX/RC型X射线衍射仪测试，薄膜为立方相结构；采用美国VEECO公司DEKTAK6M面形貌测量仪测试，薄膜的厚度为300nm；采用场发射扫描电镜(JEOL JSM-7600F，Japan)测试，薄膜致密无裂纹。
具体实施方式
本发明所用原料均为市售分析纯原料，下面通过具体实施例对本发明做进一步描述。
本发明钛酸锶钡介质薄膜的制备方法，步骤如下：
(一)配制钛-柠檬酸-乙二醇溶液
⑴根据Ba1-xSrxTiO3(其中x＝0.3～0.5)的化学计量比称取TiO2粉体，将TiO2加入HF中，水浴加热至其全部溶解；
⑵向步骤⑴的溶液中加入氨水，中和反应生成偏钛酸沉淀；
⑶抽滤、洗涤步骤⑵所得偏钛酸沉淀，然后将偏钛酸加入硝酸中，磁力搅拌至沉淀完全溶解，得到硝酸钛溶液；其中偏钛酸与硝酸的摩尔比为1:2；
⑷向步骤⑶所得硝酸钛溶液中加入柠檬酸，磁力搅拌使柠檬酸完全溶解；再向溶液中加入乙二醇溶液，加热磁力搅拌2h使溶液混合均匀，其中硝酸钛、柠檬酸与乙二醇之间的摩尔比为1:4:4；
⑸将步骤(4)所得溶液静置24h，使反应进行完全，得到Ti-CA-EG硝酸水溶液；溶液经60℃磁力搅拌加热4h，得到稳定的钛-柠檬酸-乙二醇溶液；
(二)配制钡-锶-柠檬酸-乙二醇溶液
⑴按照摩尔比例1：4制备柠檬酸-乙二醇溶液
⑵根据Ba1-xSrxTiO3(其中x＝0.3～0.5)的化学计量比称取BaCO3、SrCO3，将其加入上述柠檬酸-乙二醇溶液中，磁力搅拌加热至粉体全部溶解，得到稳定的钡-锶-柠檬酸-乙二醇溶液；
(三)将步骤(二)配置的钡-锶-柠檬酸-乙二醇溶液加入步骤(一)配置钛-柠檬酸-乙二醇溶液水溶液中，搅拌均匀得到钛酸锶钡即前驱体溶胶；
(四)向步骤(三)制得的钛酸锶钡前驱体溶胶中加入甲醇做稀释剂，加热搅拌得到所需要的钛酸锶钡前驱体溶胶；
(五)将步骤(四)配置的钛酸锶钡前躯体溶胶滴在SiO2/Si基底上，用台式匀胶机匀胶，使溶胶均匀地涂覆在基底上，然后在热板上干燥；
(六)将步骤(五)干燥后的薄膜于550～750℃进行热处理；
(七)重复步骤步骤(四)、(五)，制备厚度为300nm的多层薄膜；
(八)将步骤(七)制备的多层薄膜再于550～750℃后处理0.5～2h，得到钛酸锶钡介质薄膜。
本发明具体实施例的主要工艺参数详见表1。
表1

Claims (3)

1.一种钛酸锶钡介质薄膜的制备方法，具有如下步骤：
(1)配制钛-柠檬酸-乙二醇溶液
①根据钛酸锶钡的化学计量比称取二氧化钛粉体，将二氧化钛放入氢氟酸中，水浴加热至其全部溶解；
②向步骤①的溶液中加入氨水，中和反应生成偏钛酸沉淀；
③抽滤、洗涤步骤②所得偏钛酸沉淀，然后将偏钛酸加入硝酸中，磁力搅拌至沉淀完全溶解，得到硝酸钛溶液；其中偏钛酸与硝酸的摩尔比为1:2；
④向步骤③所得硝酸钛溶液中加入柠檬酸，磁力搅拌使柠檬酸完全溶解；再向溶液中加入乙二醇溶液，加热磁力搅拌2h使溶液混合均匀，其中硝酸钛、柠檬酸与乙二醇之间的摩尔比为1:4:4；
⑤将步骤④所得溶液静置24h，使反应进行完全，得到钛-柠檬酸-乙二醇的硝酸水溶液；溶液经60℃磁力搅拌加热4h，得到稳定的钛-柠檬酸-乙二醇水溶液；
(2)配制钡-锶-柠檬酸-乙二醇溶液
①按照摩尔比例1：4制备柠檬酸-乙二醇溶液
②根据钛酸锶钡的化学计量比称取钛酸钡、钛酸锶，将其加入上述柠檬酸-乙二醇溶液中，磁力搅拌加热至粉体全部溶解，得到稳定的钡-锶-柠檬酸-乙二醇溶液；
(3)将步骤(2)配置的钡-锶-柠檬酸-乙二醇溶液加入步骤(1)配置钛-柠檬酸-乙二醇水溶液中，搅拌均匀得钛酸锶钡前驱体溶胶；
(4)向步骤(3)制得钛酸锶钡溶胶中加入甲醇做稀释剂，加热搅拌，得到所以需要的钛酸锶钡前驱体溶胶；
(5)将步骤(4)配置的前躯体溶胶滴在基底上，用台式匀胶机匀胶，使溶胶均匀地涂覆在基底上，制得多层薄膜，然后于热板上干燥；
(6)将步骤(5)干燥后的薄膜在550～750℃进行热处理；
(7)重复步骤(5)、(6)制备厚度为300nm的多层薄膜；
(8)将步骤(7)制备的多层薄膜再于550～750℃进行后处理，处理0.5～2h，得到钛酸锶钡介质薄膜。
2.根据权利要求1所述的钛酸锶钡介质薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)的基底为SiO2/Si基底。
3.根据权利要求1所述的钛酸锶钡介质薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)的热处理温度为650℃。
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