CN113674994B - 一种钛酸锶单晶基晶界层电容器材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属电容器制备技术领域，尤其涉及一种钛酸锶单晶基晶界层电容器材料及其制备方法和应用。本发明提供了的SrTiO3单晶基晶界层电容器材料，包括第一半导体化SrTiO3单晶片，第二半导体化SrTiO3单晶片，设置于所述第一半导体化SrTiO3单晶片和第二半导体化SrTiO3单晶片之间的金属氧化物绝缘层，所述第一半导体化SrTiO3单晶片和所述金属氧化物绝缘层接触的表面形成第一掺杂扩散层，所述第二半导体化SrTiO3单晶片和所述金属氧化物绝缘层接触的表面形成第二掺杂扩散层。本发明提供的电容器材料具有高温度稳定性和高可靠性的特点。
Description
技术领域
本发明属电容器制备技术领域，尤其涉及一种钛酸锶单晶基晶界层电容器材料及其制备方法和应用。
背景技术
在国防工业技术上，晶界层电容器的应用越来越广泛，与MLCC多层陶瓷电容器相比，不存在介质层间的电流回路，所以具有很低的ESR(等效串联电阻)和ESL(等效串联电感)，特别适用于雷达、导航、卫星通讯等高频使用领域。
晶界层陶瓷材料由于采用SrTiO3基材料，同时采用AB位精确化学掺杂替代的工艺，具有相对较高的介电常数、稳定的温度特性及优越的微波特性等特点。但是，目前国内晶界层陶瓷材料老化后各项性能明显下降，使用时可靠性存在问题，大大制约了晶界层电容器在雷达、导航、卫星通讯等高频的领域的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种钛酸锶单晶基晶界层电容器材料及其制备方法和应用，本发明提供的电容器材料具有老化后容量，损耗以及绝缘电阻变化小，从而具有更高的高温度稳定性、使用可靠性。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种SrTiO3单晶基晶界层电容器材料，包括第一半导体化SrTiO3单晶片，第二半导体化SrTiO3单晶片，设置于所述第一半导体化SrTiO3单晶片和第二半导体化SrTiO3单晶片之间的金属氧化物绝缘层，所述第一半导体化SrTiO3单晶片和所述金属氧化物绝缘层接触的表面形成第一晶界扩散层，所述第二半导体化SrTiO3单晶片和所述金属氧化物绝缘层接触的表面形成第二晶界扩散层。
优选的，所述第一半导体化SrTiO3单晶片和所述第二半导体化SrTiO3单晶片的厚度独立的为0.10～0.50mm。
优选的，所述金属氧化物绝缘层的厚度为500～2500nm。
优选的，所述金属氧化物绝缘层包括Li2O、Bi2O3、PbO、CuO、Fe2O3和B2O3中的一种或多种。
优选的，所述第一晶界扩散层和第二晶界扩散层为半导体化SrTiO3单晶掺杂金属氧化物，所述金属氧化物包括Li2O、Bi2O3、PbO、CuO、Fe2O3和B2O3中的一种或多种。
本发明提供了上述技术方案所述SrTiO3单晶基晶界层电容器材料的制备方法，包括以下步骤：
将SrTiO3单晶片在还原性气氛中进行还原半导化，得到半导体化SrTiO3单晶片；
在所述半导体化SrTiO3单晶片表面制备金属膜层或者金属氧化物膜层，得到表面处理的单晶片；
将2片所述表面处理的单晶片的金属膜层或者金属氧化物膜层接触后，在氧化性气氛中进行熔融扩散，得到所述SrTiO3单晶基晶界层电容器材料。
优选的，所示还原半导化的温度为1300～1500℃，所述还原半导化的保温时间为1～4h。
优选的，所述金属膜层包括Li、Cu、Bi、Fe、B和Pb中的一种或多种，所述金属氧化物膜层包括Li2O，Bi2O3，PbO，CuO，Fe2O3和B2O3中的一种或多种。
本发明提供了上述技术方案所述SrTiO3单晶基晶界层电容器材料或上述技术方案所述制备方法得到的SrTiO3单晶基晶界层电容器材料在制备晶界层电容器中的应用。
本发明提供了一种SrTiO3单晶基晶界层电容器材料，包括第一半导体化SrTiO3单晶片，第二半导体化SrTiO3单晶片，设置于所述第一半导体化SrTiO3单晶片和第二半导体化SrTiO3单晶片之间的金属氧化物绝缘层，所述第一半导体化SrTiO3单晶片和所述金属氧化物绝缘层接触的表面形成第一晶界扩散层，所述第二半导体化SrTiO3单晶片和所述金属氧化物绝缘层接触的表面形成第二晶界扩散层。本发明提供的SrTiO3单晶基晶界层电容器材料，包括第一半导体化SrTiO3单晶片和第二半导体化SrTiO3单晶片，本发明的第一半导体化SrTiO3单晶片和第二半导体化SrTiO3单晶片不掺杂任何其他物质，有效避免了多种组分共混的半导体化陶瓷材料由于组分复杂，导致晶粒大小不一、晶向杂乱无序以及晶界成分不一引起的容量、绝缘电阻值和损耗值下降，以及在使用过程中可靠性差的的问题，由实施例的结果表明，本发明提供的SrTiO3单晶基晶界层电容器材料的击穿电压为300～400V，经125℃，96h老化后，晶界电容器的容量变化率为0.33％～1.47％，损耗的变化率为3.03％～8.91％，绝缘电阻的变化率为0.76％～1.45％，晶界电容器的容量、绝缘电阻值和损耗值的变化率小。
本发明提供了上述技术方案所述SrTiO3单晶基晶界层电容器材料的制备方法，包括以下步骤：将SrTiO3单晶片在还原性气氛中进行还原半导化，得到半导体化SrTiO3单晶片；在所述半导体化SrTiO3单晶片表面制备金属膜层或者金属氧化物膜层，得到表面处理的单晶片；将2片所述表面处理的单晶片的金属膜层或者金属氧化物膜层接触后，在氧化性气氛中进行熔融扩散，得到所述SrTiO3单晶基晶界层电容器材料。本发明提供的制备方法以SrTiO3单晶片、不掺杂任何其他物质作为晶界层电容器的基片，有效避免了多种组分共混的陶瓷材料由于组分复杂，导致晶粒大小不一、晶向杂乱无序以及晶界成分不一引起的晶界层电容器老化后使用时可靠性差的问题，同时本发明提供的制备方法工艺简单、流程便捷。
附图说明
图1为本发明实施例的制备流程图；
图2为本发明实施例1制备的产品的断面电镜照片；
图3为本发明实施例1制备的产品的局部断面电镜照片；
图4为本发明实施例1制备的产品的电容器温度特性变化曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种SrTiO3单晶基晶界层电容器材料，包括第一半导体化SrTiO3单晶片，第二半导体化SrTiO3单晶片，设置于所述第一半导体化SrTiO3单晶片和第二半导体化SrTiO3单晶片之间的金属氧化物绝缘层，所述第一半导体化SrTiO3单晶片和所述金属氧化物绝缘层接触的表面形成第一晶界扩散层，所述第二半导体化SrTiO3单晶片和所述金属氧化物绝缘层接触的表面形成第二晶界扩散层。
在本发明中，如无特殊说明，所用原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。
本发明提供的SrTiO3单晶基晶界层电容器材料包括第一半导体化SrTiO3单晶片和第二半导体化SrTiO3单晶片；在本发明中，所述第一半导体化SrTiO3单晶片由SrTiO3单晶片经还原半导体化的方法制备得到，本发明对所述还原半导体化的具体方法没有特殊要求，本发明对所述SrTiO3单晶片的晶向结构没有特殊要求，任意晶向结构的SrTiO3单晶片均可，在本发明的具体实施例中，所述SrTiO3单晶片的晶向结构为<100><101>，<111><110>或<111><100>。
在本发明中，所述第二半导体化SrTiO3单晶片由SrTiO3单晶片经还原半导体化的方法制备得到，本发明对所述还原半导体化的具体方法没有特殊要求，本发明对所述SrTiO3单晶片的晶向结构没有特殊要求，任意晶向结构的SrTiO3单晶片均可，在本发明的具体实施例中，所述SrTiO3单晶片的晶向结构为<100><101>，<111><110>或<111><100>。
在本发明的具体实施例中，所述第一半导体化SrTiO3单晶片和第二半导体化SrTiO3单晶片的晶向结构相同。
在本发明中，所述第一半导体化SrTiO3单晶片的厚度优选为0.10～0.50mm，更优选为0.15～0.25mm；所述第二半导体化SrTiO3单晶片的厚度优选为0.10～0.50mm，更优选为0.15～0.25mm，最优选为0.2mm。
本发明提供的SrTiO3单晶基晶界层电容器材料包括设置于所述第一半导体化SrTiO3单晶片和第二半导体化SrTiO3单晶片之间的金属氧化物绝缘层；在本发明中，所述金属氧化物绝缘优选包括Li2O、Bi2O3、PbO、CuO、B2O3和FeO中的一种或多种，在本发明的具体实施例中，所述金属氧化物绝缘层为FeO、CuO和Bi2O3、Li2O和FeO、CuO、B2O3和PbO、Li2O和CuO、或PbO和Bi2O3，优选为FeO、Li2O和CuO、或PbO和Bi2O3；在本发明中，当所述金属氧化物绝缘层优选为Li2O、Bi2O3、PbO、CuO和FeO中的两种以上时，本发明对上述具体物质的质量配比没有特殊要求。
在本发明中，所述金属氧化物绝缘层的厚度优选为500～2500nm，更优选为600～750nm。
本发明提供的SrTiO3单晶基晶界层电容器材料包括所述第一半导体化SrTiO3单晶片和所述金属氧化物绝缘层接触的表面形成第一晶界扩散层，所述第二半导体化SrTiO3单晶片和所述金属氧化物绝缘层接触的表面形成第二晶界扩散层。
在本发明中，所述第一晶界扩散层优选为半导体化SrTiO3单晶掺杂金属氧化物，所述金属氧化物包括Li2O、Bi2O3、PbO、CuO、B2O3和Fe2O3中的一种或多种，在本发明的具体实施例中，所述金属氧化物为FeO、CuO和Bi2O3、Li2O和FeO、CuO和PbO、Li2O和CuO、B2O3和CuO、或PbO和Bi2O3，优选为FeO、Li2O和CuO、或PbO和Bi2O3；在本发明中，当所述金属氧化物优选为Li2O，Bi2O3，PbO，CuO和Fe2O3的两种以上时，本发明对上述具体物质的质量配比没有特殊要求。
在本发明中，所述第一掺杂绝缘层中掺杂的金属氧化物优选与所述金属氧化物扩散层中的金属氧化物的种类相同。
在本发明中，所述第二晶界扩散层优选为半导体化SrTiO3单晶掺杂金属氧化物，所述金属氧化物包括Li2O、Bi2O3、PbO、CuO、B2O3和Fe2O3中的一种或多种，在本发明的具体实施例中，所述金属氧化物为FeO、CuO和Bi2O3、Li2O和FeO、CuO和PbO、Li2O和CuO、B2O3和CuO、或PbO和Bi2O3，优选为FeO、Li2O和CuO、或PbO和Bi2O3；在本发明中，当所述金属氧化物优选为Li2O，Bi2O3，PbO，CuO和Fe2O3的两种以上时，本发明对上述具体物质的质量配比没有特殊要求。
在本发明中，所述第二晶界扩散层中掺杂的金属氧化物优选与所述金属氧化物扩散层中的金属氧化物的种类相同。
本发明提供的SrTiO3单晶基晶界层电容器材料的击穿电压为300～400V，损耗角D为40×10-4～100×10-4，容量为500～700pf，绝缘电阻为100～400GΩ，电阻率为0.015～0.019Ω./cm，500h后电阻率剩余率为0.015～0.019Ω./cm。
本发明提供了上述技术方案所述SrTiO3单晶基晶界层电容器材料的制备方法，包括以下步骤：
将SrTiO3单晶片在还原性气氛中进行还原半导化，得到半导体化SrTiO3单晶片；
在所述半导体化SrTiO3单晶片表面制备金属膜层或者金属氧化物膜层，得到表面处理的单晶片；
将2片所述表面处理的单晶片的金属膜层或者金属氧化物膜层接触后，在氧化性气氛中进行熔融扩散，得到所述SrTiO3单晶基晶界层电容器材料。
本发明将SrTiO3单晶片在还原性气氛中进行还原半导化，得到半导体化SrTiO3单晶片。
本发明对所述SrTiO3单晶片的晶向结构没有特殊要求，任意晶向结构的SrTiO3单晶片均可，在本发明的具体实施例中，所述SrTiO3单晶片的晶向结构为<100><101>，<111><110>或<111><100>。
在本发明中，所述SrTiO3单晶片的电阻率优选为0.015～0.018Ω/cm。
在本发明中，所述还原性气氛优选为氢气气氛、或氢气和惰性气体的混合气气氛，所述惰性气体优选为氮气和/或稀有气体；在本发明中，当所述还原性气氛优选为氢气和惰性气体的混合气气氛时，所述氢气和惰性气体的体积比优选为(0.5～2):(9.5～8)，更优选为1:9。
在本发明中，所述还原半导化的温度优选为1300-1500，更优选为1380～1450℃，最优选为1390～1430℃；所述还原半导化的保温时间优选为1～4h，更优选为2～3h，最优选为2.5～2.8h；在本发明中，由室温升温至所述还原半导化的温度的生物速率优选为1～5℃/min，更优选为1.5～4℃/min。
本发明通过还原半导化，将SrTiO3单晶片制备成含有氧空穴的半导体化SrTiO3单晶片，通过控制还原半导化的温度、保温时间和升温速率能够使半导体化SrTiO3单晶片的氧空穴更多、分布更加均匀，更有利于提高晶界层电容器材料的老化后电容器各项电性能、击穿电压的稳定性。
在本发明中，所述半导体化SrTiO3单晶片的电阻率优选为0.015～0.018Ω/cm。
得到半导体化SrTiO3单晶片后，本发明在所述半导体化SrTiO3单晶片表面制备金属膜层或者金属氧化物膜层，得到表面处理的单晶片。
本发明在制备金属膜层或者金属氧化物膜层之前，优选对所述半导体化SrTiO3单晶片进行前处理；在本发明中，所述前处理优选包括研磨、抛光或粗化，本发明对所述研磨的具体实施过程没有特殊要求，本发明对所述抛光的具体实施过程没有特殊要求，本发明优选通过研磨或抛光能够使所述半导体化SrTiO3单晶片的表面更加光滑有利于在其表面制备扩散膜层；在本发明中，所述粗化的具体实施方式优选为喷砂或化学腐蚀，本发明对所述喷砂和化学腐蚀的具体实施过程没有特殊要求；本发明优选通过粗化能够使所述半导体化SrTiO3单晶片的表面更加粗糙有利于在其表面制备扩散膜层。
在本发明中，所述金属膜层优选包括Li、Cu、Bi、Fe、B和Pb中的一种或多种，更优选为Fe、Cu和Bi、L和Fe、Cu和Pb、Li和Cu、或Pb和Bi，最优选为Fe、Li和Cu、或Pb和Bi；所述金属氧化物包括Li2O、Bi2O3、B2O3、PbO、CuO和Fe2O3中的一种或多种，更优选为FeO、CuO和Bi2O3、Li2O和FeO、CuO和CuO、B2O3和PbO、Li2O和CuO、或PbO和Bi2O3，最优选为FeO、Li2O和CuO、或PbO和Bi2O3。
在本发明中，所述制备优选包括热蒸镀、磁控溅射、原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)。
本发明通过热蒸镀在所述半导体化SrTiO3单晶片表面制备金属膜层时，本发明通过热蒸镀的方法制备的扩散膜层由金属单质形成，本发明对所述热蒸镀的具体实施过程没有特殊要求，在本发明的具体实施例中，当采用热蒸镀的方法在所述述半导体化SrTiO3单晶片表面制备Bi扩散膜层时，所述热蒸镀的温度优选为400℃～450℃。
本发明通过磁控溅射在所述半导体化SrTiO3单晶片表面制备金属膜层时，本发明对所述磁控溅射的具体实施过程没有特殊要求，在本发明的基体实施例中，所述磁控溅射的真空度优选0.45～1.2Pa，溅射电流优选为0.2～0.3A，溅射电压优选为250～350V，溅射时间优选为3～5min，溅射结束后的烘烤温度为200～250℃。
本发明通过ALD在所述半导体化SrTiO3单晶片表面制备金属氧化物膜层时，本发明对所述ALD的具体实施过程没有特殊要求，在本发明的基体实施例中，当采用ALD制备氧化铁扩散膜层时，所述铁源优选为三甲基铁，所述还原剂优选为氢气，所述铁源的脉冲时间优选为1～5s，所述还原剂的脉冲时间优选为20～30s，沉积温度优选为100～150℃。
本发明通过CVD在所述半导体化SrTiO3单晶片表面制备金属氧化物膜层时，本发明对所述CVD的具体实施过程没有特殊要求，在本发明的基体实施例中，当采用CVD制备氧化铅膜层时，所述铅源优选为氧化铅，所述沉积的气氛优选为惰性气体气氛，所述惰性气体优选为氮气，所述沉积的温度优选为1500～1800℃，所述沉积的时间优选为2～3h。
在本发明中，所述金属膜层的厚度优选为500～2500nm，所述金属氧化物膜层的厚度优选为500～2500nm。
得到表面处理的单晶片后，本发明将2片所述表面处理的单晶片的扩散膜层接触后，在氧化性气氛中进行熔融扩散，得到所述SrTiO3单晶基晶界层电容器材料。
在本发明中，所述接触优选为将2片所述表面处理的单晶片的金属膜层或者金属氧化物膜层贴合固定。
在本发明中，所述氧化气氛优选为含氧气的气体气氛，本发明对所述含氧的气体中氧气的含量没有特殊要求，在本发明的具体实施中，所述氧化气氛优选为空气气氛或氧气气氛。
在本发明中，所述熔融扩散的具体实施方法优选包括：无压烧结、热压烧结、气氛烧结或热等静压烧结；在本发明的具体实施例中，所述无压烧结的气氛为空气，所述无压烧结的温度优选为1500～1600℃，所述无压烧结的保温时间优选为3～4h；在本发明的具体实施例中，所述热压烧结的气氛为空气，所述热压烧结的压力优选为10～15MPa，所述热压烧结的温度优选为800℃，所述热压烧结的保温时间优选为1～1.5h；在本发明的具体实施例中，所述气氛烧结的气氛为氧气，所述气氛烧结的温度优选为1220～1250℃，所述气氛烧结的氧气的流量优选为3～5L/min，所述氧气的压力优选为200～400kg/cm2，所述气氛烧结的保温时间优选为4～12h；在本发明的具体实施例中，所述热等静压的气氛优选为空气，所述热等静压的温度优选为900℃，所述热等静压的保温时间优选为1.5～2h。
本发明通过熔融扩散能够使2片表面处理的单晶片的金属膜层或者金属氧化物膜层相互扩散融合的同时，金属单质氧化后或金属氧化物向单晶片中扩散，形成第一晶界扩散层和第二晶界扩散层。
本发明提供了上述技术方案所述SrTiO3单晶基晶界层电容器材料或上述技术方案所述制备方法得到的SrTiO3单晶基晶界层电容器材料在制备晶界层电容器中的应用。
本发明通过在所述SrTiO3单晶基晶界层电容器材料的2片单晶片上制备金属电极得到晶界层电容器。本发明随所述金属电极的材质没有特殊要求，在本发发明的具体实施例中，所述金属电极优选为Au电极，所述金属电极的厚度优选为2～6μm。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
按照图1的制备流程，选择晶向为<100><101>，厚度为0.2mm的SrTiO3单晶片，用四探针测试仪测试<100><101>单晶片的电阻率为0.02Ω/cm；将单晶片在体积比为1:9的H2和N2混合气氛下还原半导化，温度为1450℃(升温速率为1℃/min)，保温时间为3小时；得到半导体化SrTiO3单晶片，再次用四探针测试仪进行电阻率的测试半导体化SrTiO3单晶片的电阻率为0.015Ω/cm；
对半导体化SrTiO3单晶片利用研磨方法进行表面处理后，采用磁控溅射的方法在半导体化SrTiO3单晶片表面溅射Bi膜层，磁控溅射的真空度为1.2Pa，溅射电流为0.3A，溅射电压为350V，溅射时间为5min，溅射结束后的烘烤温度为200℃，得到的Bi膜层的厚度为0.2μm，得到表面处理后的单晶片；
将2片表面处理后的单晶片的Bi膜层贴合固定后，放入箱式炉，设置温度为1500℃，保温时间小时3小时，进行无压烧结，得到SrTiO3单晶基晶界层电容器材料；
本实施例制备的SrTiO3单晶基晶界层电容器材料：第一半导体化SrTiO3单晶片的厚度为0.2mm，氧化铋绝缘层的厚度为700nm，第二半导体化SrTiO3单晶片的厚度为0.2mm。
图2为本实施例制备得到的产品的断面电镜照片，图3为本实施例制备得到的产品的断面局部电镜照片；从图2和图3中得以看出，本实施例制备的产品形成了氧化铋绝缘层。
实施例2
按照图1的制备流程，选择晶向为<100><101>，厚度为0.2mm的SrTiO3单晶片，用四探针测试仪测试<100><101>单晶片的电阻率为0.021Ω/cm；将单晶片在体积比为1:9的H2和N2混合气氛下还原半导化，温度为1450℃(升温速率为1℃/min)，保温时间为3小时；得到半导体化SrTiO3单晶片，再次用四探针测试仪进行电阻率的测试半导体化SrTiO3单晶片的电阻率为0.015Ω/cm；
对半导体化SrTiO3单晶片利用研磨方法进行表面处理后，采用磁控溅射的方法在半导体化SrTiO3单晶片表面采用ALD沉积Fe2O3膜层，铁源为三甲基铁，还原剂为氢气，铁源的脉冲时间为5s，还原剂的脉冲时间为30s，沉积温度为150℃，得到的Fe2O3膜层的厚度为0.2μm，得到表面处理后的单晶片；
将2片表面处理后的单晶片的Fe2O3膜层贴合固定后，放入箱式炉，设置温度为1500℃，保温时间小时3小时，进行无压烧结，得到SrTiO3单晶基晶界层电容器材料；
本实施例制备的SrTiO3单晶基晶界层电容器材料：第一半导体化SrTiO3单晶片的厚度为0.2mm，第二半导体化SrTiO3单晶片的厚度为0.2mm。
实施例3
按照图1的制备流程，选择晶向为<111><110>，厚度为0.2mm的SrTiO3单晶片，用四探针测试仪测试<111><110>单晶片的电阻率为0.020Ω/cm；将单晶片在体积比为1:9的H2和N2混合气氛下还原半导化，温度为1450℃(升温速率为5℃/min)，保温时间为3小时；得到半导体化SrTiO3单晶片，再次用四探针测试仪进行电阻率的测试半导体化SrTiO3单晶片的电阻率为0.015Ω/cm；
对半导体化SrTiO3单晶片利用抛光方法进行表面处理后，采用ALD的方法在半导体化SrTiO3单晶片表面沉积CuO和Li2O膜层，铜源的脉冲时间为5s，锂源的脉冲时间为5s还原剂的脉冲时间为30s，沉积温度为150℃，得到的CuO和Li2O膜层的厚度为0.2μm，得到表面处理后的单晶片；
将2片表面处理后的单晶片的CuO和Li2O膜层贴合固定后，放入箱式炉，设置温度为1500℃，保温时间小时3小时，进行无压烧结，得到SrTiO3单晶基晶界层电容器材料；
本实施例制备的SrTiO3单晶基晶界层电容器材料：第一半导体化SrTiO3单晶片的厚度为0.2mm，第二半导体化SrTiO3单晶片的厚度为0.2mm。
实施例4
按照图1的制备流程，选择晶向为<111><110>，厚度为0.2mm的SrTiO3单晶片，用四探针测试仪测试<111><110>单晶片的电阻率为0.022Ω/cm；将单晶片在体积比为1:9的H2和N2混合气氛下还原半导化，温度为1450℃(升温速率为5℃/min)，保温时间为3小时；得到半导体化SrTiO3单晶片，再次用四探针测试仪进行电阻率的测试半导体化SrTiO3单晶片的电阻率为0.015Ω/cm；
对半导体化SrTiO3单晶片利用抛光方法进行表面处理后，采用ALD的方法在半导体化SrTiO3单晶片表面沉积Cu和Li膜层，磁控溅射的真空度为1.2Pa，溅射电流为0.3A，溅射电压为350V，溅射时间为5min，溅射结束后的烘烤温度为200℃，得到的Cu和Li膜层的厚度为0.2μm，得到表面处理后的单晶片；
将2片表面处理后的单晶片的Cu和Li膜层贴合固定后，放入箱式炉，设置温度为1500℃，保温时间小时3小时，进行无压烧结，得到SrTiO3单晶基晶界层电容器材料；
本实施例制备的SrTiO3单晶基晶界层电容器材料：第一半导体化SrTiO3单晶片的厚度为0.2mm，第二半导体化SrTiO3单晶片的厚度为0.2mm。
实施例5
按照图1的制备流程，选择晶向为<111><100>，厚度为0.2mm的SrTiO3单晶片，用四探针测试仪测试<111><100>单晶片的电阻率为0.021Ω/cm；将单晶片在体积比为1:9的H2和N2混合气氛下还原半导化，温度为1450℃(升温速率为5℃/min)，保温时间为3小时；得到半导体化SrTiO3单晶片，再次用四探针测试仪进行电阻率的测试半导体化SrTiO3单晶片的电阻率为0.015Ω/cm；
对半导体化SrTiO3单晶片利用抛光方法进行表面处理后，采用ALD的方法在半导体化SrTiO3单晶片表面沉积PbO和Bi2O3膜层，Pb源的脉冲时间为5s，Bi源的脉冲时间为5s还原剂的脉冲时间为30s，沉积温度为150℃，得到的PbO和Bi2O3扩散膜层的厚度为0.2μm，得到表面处理后的单晶片；
将2片表面处理后的单晶片的PbO和Bi2O3膜层贴合固定后，放入箱式炉，设置温度为1500℃，保温时间小时3小时，进行无压烧结，得到SrTiO3单晶基晶界层电容器材料；
本实施例制备的SrTiO3单晶基晶界层电容器材料：第一半导体化SrTiO3单晶片的厚度为0.2mm，第二半导体化SrTiO3单晶片的厚度为0.2mm。
测试例1
对实施例1制备得到的晶界电容器产品进行温度特性的测试，测试结果如图4和表3所示，由图4和表3可以看出实施例1制备的材料得到的晶界电容器稳定温度在-55℃～125℃的温度特性在2％～8％之间，表现非常优异温度特性，比现有的的晶界层的电容器要更加优异。
对实施例1制备得到的晶界电容器产品进行老化前后性能测试，老化测试的温度为125℃，时间为96h。测试结果如表1、2和表3所示，表1为实施例1制备得到的晶界电容器在电压为200V，温度为125℃，未进行老化的各项电性能和实施例1制备得到的晶界电容器产品在电压为200V，温度为125℃，老化96h后的各项电性能，由表1中的数据对比可知，实施例1制备得到的晶界电容器产品损耗和绝缘电阻性能优异的。表2为实施例1制备的晶界电容器老化实验前后的电容器容量，损耗以及绝缘电阻的变化率，由表2可知，晶界电容器的容量变化率为0.33％～1.47％，损耗的变化率为3.03％～8.91％，绝缘电阻的变化率为0.76％～1.45％，晶界电容器的容量、绝缘电阻值和损耗值的变化率小，本发明提供的钛酸锶单晶基晶界层电容器材料具备较好温度稳定性，较好的可靠性。
表1实施例1制备得到的晶界电容器在电压为200V，温度为125℃，未进行老化的各项电性能
表2实施例1制备的晶界电容器(四个样品)老化实验前后的电容器容量，损耗以及绝缘电阻的变化率
表3实施例1制备得到的晶界电容器产品(四个样品)进行温度特性的测试结果
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种SrTiO3单晶基晶界层电容器材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将SrTiO3单晶片在还原性气氛中进行还原半导化，得到半导体化SrTiO3单晶片；
在所述半导体化SrTiO3单晶片表面制备金属膜层或者金属氧化物膜层，得到表面处理的单晶片；
将2片所述表面处理的单晶片的金属膜层或者金属氧化物膜层接触后，在氧化性气氛中进行熔融扩散，得到所述SrTiO3单晶基晶界层电容器材料；
所述SrTiO3单晶基晶界层电容器材料包括第一半导体化SrTiO3单晶片，第二半导体化SrTiO3单晶片，设置于所述第一半导体化SrTiO3单晶片和第二半导体化SrTiO3单晶片之间的金属氧化物绝缘层，所述第一半导体化SrTiO3单晶片和所述金属氧化物绝缘层接触的表面形成第一晶界扩散层，所述第二半导体化SrTiO3单晶片和所述金属氧化物绝缘层接触的表面形成第二晶界扩散层。
2.根据权利要求1所述的SrTiO3单晶基晶界层电容器材料的制备方法，其特征在于，所述第一半导体化SrTiO3单晶片和所述第二半导体化SrTiO3单晶片的厚度独立的为0.10～0.50mm。
3.根据权利要求1所述的SrTiO3单晶基晶界层电容器材料的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物绝缘层的厚度为500～2500nm。
4.根据权利要求1所述的SrTiO3单晶基晶界层电容器材料的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物绝缘层包括Li2O、Bi2O3、PbO、CuO、Fe2O3和B2O3中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的SrTiO3单晶基晶界层电容器材料的制备方法，其特征在于，所述第一晶界扩散层和第二晶界扩散层为半导体化SrTiO3单晶掺杂金属氧化物，所述金属氧化物包括Li2O、Bi2O3、PbO、CuO、Fe2O3和B2O3中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述还原半导化的温度为1300～1500℃，所述还原半导化的保温时间为1～4h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属膜层包括Li、Cu、Bi、Fe、B和Pb中的一种或多种，所述金属氧化物膜层包括Li2O、Bi2O3、PbO、CuO、Fe2O3和B2O3中的一种或多种。
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