CN104891821A - 应用不同浓度的前驱液制备多层BiFeO3薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用不同浓度的前驱液制备多层BiFeO₃薄膜的方法，所述方法包括：(1)将Bi(NO₃)₃·5H₂O、Fe(NO₃)₃·5H₂O溶于乙二醇甲醚和乙酸酐混合而成的混合液中，分别配置出高浓度的A前驱液和低浓度的B前驱液。(2)在基片上旋涂A前驱液或B前驱液，并将其烘烤、冷却，得到单层BiFeO₃薄膜。(3)在单层BiFeO₃薄膜上再旋涂B前驱液或A前驱液，并将其烘烤、冷却，得到双层BiFeO₃薄膜。(4)根据厚度需要交替旋涂A前驱液或B前驱液并烘烤、冷却，得到多层BiFeO₃薄膜。本发明通过高、低浓度层交替搭配来提高薄膜的致密性进而降低薄膜的漏电流，提高薄膜的铁电性能，而且可以保证薄膜的制备效率。

Description

应用不同浓度的前驱液制备多层BiFeO3薄膜的方法

技术领域

本发明涉及功能薄膜材料领域，具体涉及一种应用不同浓度的前驱液制备多层BiFeO₃薄膜的方法。

背景技术

目前制备多铁性薄膜的方法有多种：金属有机化学气相沉积法、磁控溅射法、分子束外延法、脉冲激光沉积法、溶胶凝胶法等。然而，纯的BiFeO₃多铁性薄膜由于制备过程中原子价态的转变导致薄膜的致密性能较差进而在室温条件漏电流较大，得到的电滞回线矩形度较差，不能满足器件应用的要求。掺杂是降低BiFeO₃多铁性薄膜漏电流的有效方法，例如公布号为CN 103613372A的专利，通过掺杂Tb、Mn、Cu元素来降低BiFeO₃的漏电流密度，在300kV/cm时的漏电流为10^-5A/cm²。所以，降低多铁性薄膜的漏电流是目前亟待解决的关键问题。溶胶凝胶法是制备多铁性薄膜的常用工艺，该工艺需要多次涂覆才能获得一定的厚度，为了降低涂覆次数，提高效率，通常采用高浓度的前驱液来制备薄膜，这样会导致薄膜出现裂纹、孔洞，表面不致密，漏电流过大。但若使用低浓度的前驱液制备薄膜，需要反复非常多的次数才能获得一定的厚度，不但增大了薄膜被污染的可能，而且还降低了制备效率。

发明内容

本发明提供一种应用不同浓度的前驱液制备多层BiFeO₃薄膜的方法，通过高、低浓度层交替搭配来提高薄膜的致密性进而降低薄膜的漏电流，提高薄膜的铁电性能，而且可以保证薄膜的制备效率。

下面阐述的是本发明的技术方案。

一种应用不同浓度的前驱液制备多层BiFeO₃薄膜的方法，所述方法包括：

(1)将Bi(NO₃)₃·5H₂O、Fe(NO₃)₃·5H₂O溶于乙二醇甲醚和乙酸酐混合而成的混合液中，分别配置出浓度为(1.0-2.0)mol/L的A前驱液和浓度为(0.02-0.1)mol/L的B前驱液。

(2)在基片上旋涂A前驱液或B前驱液，并将其烘烤、冷却，得到单层BiFeO₃薄膜。

(3)在单层BiFeO₃薄膜上再旋涂B前驱液或A前驱液，并将其烘烤、冷却，得到双层BiFeO₃薄膜。

(4)根据厚度需要交替旋涂A前驱液或B前驱液并烘烤、冷却，得到多层BiFeO₃薄膜。

附图说明

图1a-图1d描述了本发明中多层BiFeO₃薄膜的膜层结构。

图2为应用本发明所得多层BiFeO₃薄膜与常规方法(高浓度法)制备的BiFeO₃薄膜的漏电流比较图，其中a为常规方法所得曲线，b为本发明所得曲线。

具体实施方式

实施例1：

(1)将Bi:Fe摩尔比为1.05:1的Bi(NO₃)₃·5H₂O、Fe(NO₃)₃·5H₂O溶于体积比为3:1(乙二醇甲醚:乙酸酐)的乙二醇甲醚和乙酸酐的混合液中，搅拌4h，分别制得浓度为1.5mol/L的A前驱液和0.1mol/L的B前驱液，陈化24h。

(2)以镀有FTO(F掺杂SnO₂)的玻璃作为基片，对玻璃基片进行表面处理和清洗：

①用氢氧化钠溶液浸泡24小时，去除残留在表面的附着物；

②丙酮超声清洗10-15分钟，去除基片表面有机物；

③乙醇超声清洗8-15分钟，除掉玻璃表面的碳氢化合物；

④最后用去离子水超声清洗10分钟，去除残留的乙醇。

(3)将A前驱液用滴管滴3-4滴到FTO玻璃上，启动匀胶机进行旋涂，形成湿薄膜；

(4)将湿薄膜在120℃下进行低温烘干5min处理，去除薄膜中的碳、氢成分；烘干的薄膜在400℃进行预热处理15分钟，然后冷却；

(5)将A前驱液制备的薄膜冷却后在其表面上滴3-4滴B前驱液。启动匀胶机进行旋涂，采用步骤(4)的烘烤条件进行烘烤。重复步骤(3)-(5)，获得一定厚度且按照A/B…A/B方式搭配的BiFeO₃薄膜；

(6)将BiFeO₃薄膜在空气环境中进行热处理，温度为550℃，时间为1h，使薄膜晶化；待样品自然冷却后，即可获得BiFeO₃铁电薄膜。

(7)在BiFeO₃薄膜表面上采用真空蒸镀工艺制备Au上电极薄膜。掩膜板的直径为0.5mm。

实施例2：

(1)将Bi:Fe摩尔比为1.05:1的Bi(NO₃)₃·5H₂O、Fe(NO₃)₃·5H₂O溶于体积比为3:1(乙二醇甲醚:乙酸酐)的乙二醇甲醚和乙酸酐的混合液中，搅拌4h，分别制得浓度为1mol/L的A前驱液和0.08mol/L的B前驱液，陈化24h。

(2)以镀有FTO的玻璃作为基片，对玻璃基片进行表面处理和清洗：

①用氢氧化钠溶液浸泡24小时，去除残留在表面的附着物；

②丙酮超声清洗10-15分钟，去除基片表面有机物；

③乙醇超声清洗8-15分钟，除掉玻璃表面的碳氢化合物；

④最后用去离子水超声清洗10分钟，去除残留的乙醇。

(3)将配制好的A前驱液滴3-4滴到镀有FTO薄膜的玻璃基片上，启动匀胶机进行旋涂，形成湿膜；

(4)将旋涂好的湿的薄膜在120℃下进行低温烘干5min处理，去除湿膜中的碳、氢成分；

将烘干过的薄膜在400℃的恒温热盘上进行预热处理15分钟；

(5)待其冷却后，在其表面上滴3-4滴B前驱液。启动匀胶机进行旋涂，烘烤。

重复上述(3)-(5)步骤，获得一定厚度且按照A/B搭配的BiFeO₃薄膜；

(6)将薄膜在空气环境中退火，退火温度为550℃，时间为1h，使薄膜晶化；待样品自然冷却后，即可获得BiFeO₃薄膜。

(7)在BiFeO₃薄膜表面上采用真空蒸镀工艺制备Au上电极薄膜。掩膜板的直径为0.5mm。也进行了其他不同浓度搭配案例，其结果列入表1中。

表1：不同浓度前驱液制备的BiFeO₃薄膜在100kV/cm的漏电流

注:ITO为Sn掺杂In₂O₃

本发明将硝酸铋、硝酸铁溶于乙二醇甲醚和醋酸酐中，得到不同浓度的前驱液。在基片上旋涂高(或低)浓度前驱液，烘烤、冷却，然后再在薄膜上旋涂低(或高)浓度的前驱液，烘烤、冷却，重复几次获取所需的厚度，然后进行高温热处理制备出结晶态的多层BiFeO₃薄膜。在高电场下漏电流密度比单高浓度制备的BiFeO₃薄膜降低了3数量级。本发明设备要求简单，制备出的薄膜致密性好，能够降低薄膜的漏电流密度。

Claims (3)

1.一种应用不同浓度的前驱液制备多层BiFeO₃薄膜的方法，所述方法包括：

(1)将Bi(NO₃)₃·5H₂O、Fe(NO₃)₃·5H₂O溶于乙二醇甲醚和乙酸酐混合而成的混合液中，分别配置出浓度为(1.0-2.0)mol/L的A前驱液和浓度为(0.02-0.1)mol/L的B前驱液；

(2)在基片上旋涂A前驱液或B前驱液，并将其烘烤、冷却，得到单层BiFeO₃薄膜；

(3)在单层BiFeO₃薄膜上再旋涂B前驱液或A前驱液，并将其烘烤、冷却，得到双层BiFeO₃薄膜；

(4)根据厚度需要交替旋涂A前驱液或B前驱液并烘烤、冷却，得到多层BiFeO₃薄膜。

2.根据权利要求1所述的方法，其中的多层BiFeO₃薄膜，其结构为薄膜与基片接触面以及另一表面分别是A前驱液层和B前驱液层、B前驱液层和A前驱液层、A前驱液层和A前驱液层或B前驱液层和B前驱液层。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中的Bi(NO₃)₃·5H₂O、Fe(NO₃)₃·5H₂O中的Bi与Fe摩尔比为(1.0-1.1):1，混合液中的乙二醇甲醚和乙酸酐的体积比为(2.5-3.5):1。