CN107200349A - 一种利用溶胶凝胶制备钛酸铜钙薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用溶胶凝胶制备钛酸铜钙薄膜的方法：(1)基片清洗；(2)配制CaCu₃Ti₄O₁₂简称CCTO前驱体溶液：在容器中加入乙二醇作为溶剂，按照Ca:Cu:Ti＝1:3:4的摩尔比称取硝酸钙、硝酸铜和硫酸氧钛，并放入乙二醇溶剂中，在50～70℃下进行充分搅拌使药品充分溶解，使CCTO浓度为0.1～0.2mol/L，最后再滴加适量乙醇胺，调节PH值至5，并继续搅拌，最终获得澄清透明的CCTO前驱体溶液；(3)旋转涂覆法制备CCTO薄膜；(4)在700～1000℃下对薄膜进行热处理，保温1～2h。本发明方法操作简单，价格低廉，节约的制备成本，制备方法简单且重复性高，为更好的制备CCTO薄膜为基础的敏感元件打下基础。

Description

一种利用溶胶凝胶制备钛酸铜钙薄膜的方法

技术领域

本发明涉及一种具有电子功能材料的制备方法，更具体的说，是涉及一种利用溶胶凝胶制备钛酸铜钙薄膜的方法。

背景技术

钛酸铜钙CaCu₃Ti₄O₁₂(简称CCTO)属于类钙钛矿结构的化合物，是近些年来发现的具有优良电学性能的新型材料，其表现出巨大的介电常数(ε≈10⁴～10⁵)和低的介电损耗(tanδ≈0.03)，特别是在室温附近很宽的温度范围内(100～400K)，介电常数几乎保持不变，表明其具有很好的热稳定性。另一方面，其电流电压测试表现出明显的非线性，其非线性系数达到912，性能远高于目前市场上压敏电阻。

随着微电子技术的逐步发展，器件正朝着小型化、集成化、低电压和低能耗的方向发展，而CCTO陶瓷薄膜的这些良好的综合性能，使其有望在诸多高新技术领域中获得广泛的应用。

目前薄膜制备技术可分为两大类，即物理气相沉积法和化学气相沉积法。现阶段对于CCTO薄膜的制备，主要有脉冲激光沉积法、化学气相沉积、分子数外延溶和胶凝胶法等。传统方法中以钛酸丁酯作为钛源来制备前驱体溶液，但是钛酸丁酯容易与空气中的水分发生水解，且还需滴加其他液体来抑制水解，制备方法复杂，成本高。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，结合现有实验室条件，提供一种采用溶胶凝胶法结合旋转涂覆技术来制备钛酸铜钙薄膜的方法，溶胶凝胶法的反应在溶液中进行，对于多组分其均匀度可以达到分子或者原子级，且成分控制准确，易于进行掺杂改性，所需成本低，制备周期短。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种利用溶胶凝胶制备钛酸铜钙薄膜的方法，包括以下步骤：

(1)基片清理

将氧化铝基片置于装有丙酮的烧杯中，通过超声波清洗以去除基片表面的油污；再将基片置于装有无水乙醇的烧杯中，通过超声波清洗以去除基片表面残留的丙酮；最后将基片放入烘箱中进行干燥处理；

(2)制备CaCu₃Ti₄O₁₂前驱体溶液

在装有磁力搅拌子的容器中，加入乙二醇(HOCH₂)₂作为溶剂；按照Ca:Cu:Ti＝1:3:4的摩尔比称取硝酸钙、硝酸铜和硫酸氧钛并放入乙二醇溶剂中，在50～70℃水浴下进行磁力搅拌使药品溶解，得到浓度为0.1～0.2mol/L的CaCu₃Ti₄O₁₂溶液；

继续磁力搅拌，同时逐滴滴加乙醇胺，调节CaCu₃Ti₄O₁₂溶液的PH值至5～6，继续搅拌后最终得到CaCu₃Ti₄O₁₂前驱体溶液；

(3)旋转涂覆法制备薄膜

将步骤(1)中清理后的氧化铝基片吸附于台式匀胶机上，将步骤(2)中制备的CaCu₃Ti₄O₁₂前驱体溶液滴加到基片表面，调节匀胶机转速为2～3千转/分，时间为20～30秒，进行甩胶旋涂；

之后将基片放置于200～300℃的热台上进行烘干预处理，时间为2～8min，使溶剂挥发，最终在氧化铝基片上形成一层钛酸铜钙薄膜；

(4)重复步骤(3)，直到获得所需厚度的钛酸铜钙薄膜；

(5)退火处理：将步骤(4)中得到的钛酸铜钙薄膜置于马弗炉中进行700～1000℃进行退火处理，设置时间1～2h。

步骤(1)中所述超声波清洗的时间均为5～10min。

步骤(2)中所述乙二醇(HOCH₂)₂溶剂为3～8ml。

步骤(4)中钛酸铜钙薄膜的厚度为100～200nm。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明使用溶胶凝胶法在氧化铝基片上制备出了均匀致密的钛酸铜钙薄膜，与利用磁控溅射等方法制备的钛酸铜钙薄膜相比，本发明不需要价格昂贵的工艺设备，制备方法简单且重复性高，与传统的以钛酸丁酯作为钛源来制备前驱体溶液相比，本发明使用的硫酸氧钛不会与空气中的水分发生水解，且无需在溶剂中滴加酸来抑制水解，故能降低制备时对环境及设备的要求，并精确控制CaCu₃Ti₄O₁₂溶液的浓度，而且价格低廉，节约的制备成本，制备方法简单且重复性高，为更好的制备以钛酸铜钙薄膜为基础的敏感元件打下基础。

附图说明

图1是对本发明氧化铝基片上制备出的钛酸铜钙薄膜进行XRD分析图。

具体实施方式

本发明所使用的化学原料均为分析纯，其中钛酸铜钙(CaCu₃Ti₄O₁₂)用简称CCTO代替。

具体实施方案如下：

1.基片清理

将氧化铝基片置于装有丙酮的烧杯中，超声波进行清洗10min，以去除基片表面的油污；再将基片置于装有无水乙醇的烧杯中，超声波进行清洗10min，以去除基片表面残留的丙酮；最后将基片放入烘箱中干燥处理。

2.制备CCTO前驱体溶液

在装有磁力搅拌子的容器中，加入5ml乙二醇(HOCH₂)₂作为溶剂；按照Ca:Cu:Ti＝1:3:4的摩尔比称取硝酸钙0.177g、硝酸铜0.544g和硫酸氧钛0.587g并放入乙二醇溶剂中，在60℃水浴下搅拌3h使药品充分溶解，此时获得的CCTO浓度约为0.15mol/L。最后，在磁力搅拌的同时缓慢滴加适量的乙醇胺，调节PH值至5，继续充分搅拌2h后获得澄清的CCTO前驱体溶液。

3.旋转涂覆法制备薄膜

将步骤1中清理干净的氧化铝基片吸附于台式匀胶机上，将适量的CCTO前驱体溶液滴加到基片表面，调节匀胶机转速在3千转/分，时间为20秒，进行甩胶旋涂，然后将基片放置于300℃的热台上进行5min的烘干预处理，使溶剂挥发，此时，氧化铝基片上已形成一层CCTO薄膜。

4.重复步骤3，直到获得所需厚度的CCTO薄膜。

5.退火处理

将步骤4中获得的CCTO薄膜置于马弗炉中进行800℃退火处理，保温时间1h，随炉冷却至室温，获得致密、均匀的CCTO薄膜。

本发明所列举的各种原料，以及各原料所列举的上下限取值、区间值都能实现本发明；本发明的工艺参数(时间、温度)的上下限取值、区间值也均能实现本发明，在此不一一进行举例说明。

图1是对本发明氧化铝Al₂O₃基片上制备出的CCTO薄膜进行XRD分析图，从图中可以看出除了较强的Al₂O₃衍射峰外，还可以清楚的看到三个明显的CCTO衍射峰，证明了CCTO薄膜的合成。

Claims (4)

1.一种利用溶胶凝胶制备钛酸铜钙薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基片清理

将氧化铝基片置于装有丙酮的烧杯中，通过超声波清洗以去除基片表面的油污；再将基片置于装有无水乙醇的烧杯中，通过超声波清洗以去除基片表面残留的丙酮；最后将基片放入烘箱中进行干燥处理；

(2)制备CaCu₃Ti₄O₁₂前驱体溶液

在装有磁力搅拌子的容器中，加入乙二醇(HOCH₂)₂作为溶剂；按照Ca:Cu:Ti＝1:3:4的摩尔比称取硝酸钙、硝酸铜和硫酸氧钛并放入乙二醇溶剂中，在50～70℃水浴下进行磁力搅拌使药品溶解，得到浓度为0.1～0.2mol/L的CaCu₃Ti₄O₁₂溶液；

继续磁力搅拌，同时逐滴滴加乙醇胺，调节CaCu₃Ti₄O₁₂溶液的PH值至5～6，继续搅拌后最终得到CaCu₃Ti₄O₁₂前驱体溶液；

(3)旋转涂覆法制备薄膜

将步骤(1)中清理后的氧化铝基片吸附于台式匀胶机上，将步骤(2)中制备的CaCu₃Ti₄O₁₂前驱体溶液滴加到基片表面，调节匀胶机转速为2～3千转/分，时间为20～30秒，进行甩胶旋涂；

之后将基片放置于200～300℃的热台上进行烘干预处理，时间为2～8min，使溶剂挥发，最终在氧化铝基片上形成一层钛酸铜钙薄膜；

(4)重复步骤(3)，直到获得所需厚度的钛酸铜钙薄膜；

(5)退火处理

将步骤(4)中得到的钛酸铜钙薄膜置于马弗炉中进行700～1000℃进行退火处理，设置时间1～2h。

2.根据权利要求1所述的一种利用溶胶凝胶制备钛酸铜钙薄膜的方法，其特征在于，步骤(1)中所述超声波清洗的时间均为5～10min。

3.根据权利要求1所述的一种利用溶胶凝胶制备钛酸铜钙薄膜的方法，其特征在于，步骤(2)中所述乙二醇(HOCH₂)₂溶剂为3～8ml。

4.根据权利要求1所述的一种利用溶胶凝胶制备钛酸铜钙薄膜的方法，其特征在于，步骤(4)中钛酸铜钙薄膜的厚度为100～200nm。