专利名称：一种(020)择优取向钛酸铋薄膜的制备方法
技术领域：
本发明属于薄膜材料领域。
背景技术：
钛酸铋(Bi4Ti3012)是一种性能优异的铁电材料，因其具有独特的电学、 光学和光电子学性能，在现代微电子、微机电系统、信息存储等方面有着广阔 的应用前景。研究表明掺镧的钛酸铋(Bi4.xLaxTi3012)很大程度上提高了钛酸 铋的铁电性能，疲劳性能也明显优于传统铁电材料。但是由于大规模集成电 路的工艺温度限制在500°C以下，而目前采用现有方法制备掺杂钛酸铋薄膜的 温度大多数情况下仍在500°C以上，使得制备出的薄膜表面粗糙、无择优取向 性、铁电性能差、致密度低、颗粒分布不均，制备工艺复杂、结晶温度高且难 以控制的缺点。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中制备Bi4_xLaxTi3012薄膜工艺复杂、结 晶温度高、表面粗糙、无择优取向性、铁电性能差、致密度低和颗粒分布不均 的问题，而提供一种(020)择优取向钛酸铋薄膜的制备方法。
一种(020)择优取向钛酸铋薄膜的制备方法步骤如下 一、将硝酸镧和 次硝酸铋的混合物与醋酸按1 : 10 80摩尔比混合，然后缓慢加入质量百分比 浓度为99.0% 99.8%的乙二醇溶液，使溶液中镧离子和铋离子总和与乙二醇 的摩尔比为1:5 18，室温搅拌8 12min，得溶液A; 二、将质量百分比浓 度为99.0% 99.8%的乙二醇溶液缓慢加入钛酸四丁酯中，使溶液中铋离子与 乙二醇的摩尔比为1 : 5 18，室温搅拌8 12min，得溶液B;三、将溶液A 和溶液B混合，室温搅拌20 40min，得Bi4.xLaxTi3012溶胶；四、将Pt/Ti/Si02/Si 基片分别在丙酮和无水乙醇中超声处理4 6min，干燥；五、将Bi4.xLaxTi3012 溶胶通过匀胶机旋涂到处理过的Pt/Ti/Si02/Si基片上，以1300 1700 r/min旋 涂10s,再以2800 3200r/min旋涂15s后在室温条件下干燥4 6min，再置于 温度为50 70。C条件下干燥20 40min，得薄膜C;六、将薄膜C放入580
620。C马弗炉中焙烧8 12min后取出冷却至室温，得Bi4_xLaxTi3012薄膜；步 骤一中硝酸镧和次硝酸铋是按照Bi4-xLaJl30!2化学计量比称取，其中0<X< 1。
本发明中Bi4.山axTi30n溶胶可进一步制备成Bi4.xLaJl30i2纳米粉体，在 500。C开始生成钙钛矿相；Bi4.xLaxTi3012薄膜呈现(020)择优取向，且x=0.75 时薄膜的择优取向度最高。(020)择优取向将提高铁电性能。本发明的优点 是采用溶胶凝胶法制备Bi4.xLaxTi3012薄膜材料，工艺简单、结晶温度低、薄 膜致密度高、颗粒分布均匀、表面粗糙度小仅为5 10nm，且表现为(020) 择优取向性，并可在大面积或者任意形状的基底上成膜，可得到厚度为80 300nm的薄膜，且这种薄膜铁电性能优越，适合工业化生产。
图1是具体实施方式
十一所得Bi3.25Lao.75Ti3012薄膜的XRD谱图，图2是具体实施方式
十一中所得813.2^%75113012薄膜薄膜的原子力显微照片。
具体实施例方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方 式间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式(020)择优取向钛酸铋薄膜的制备方法步
骤如下 一、将硝酸镧和次硝酸铋的混合物与醋酸按l : 10 80摩尔比混合，
然后缓慢加入质量百分比浓度为99.0% 99.8%的乙二醇溶液，使溶液中镧离 子和铋离子总和与乙二醇的摩尔比为1 : 5 18，室温搅拌8 12min，得溶液 A; 二、将质量百分比浓度为99.0% 99.8%的乙二醇溶液缓慢加入钛酸四丁 酯中，使溶液中铋离子与乙二醇的摩尔比为1 : 5 18，室温搅拌8 12min， 得溶液B;三、将溶液A和溶液B混合，室温搅拌20 40min，得Bi4.xLaxTi3012 溶胶；四、将Pt/Ti/Si02/Si基片分别在丙酮和无水乙醇中超声处理4 6min， 干燥；五、将Bi4-xLaxTi30u溶胶通过匀胶机旋涂到处理过的Pt/Ti/Si02/Si基片 上，以1300 1700r/min旋涂10s,再以2800 3200r/min旋涂15s后在室温条 件下干燥4 6min，再置于温度为50 7(TC条件下干燥20 40min，得薄膜C; 六、将薄膜C放入580 62(TC马弗炉中焙烧8 12min后取出冷却至室温，得 Bi4-xLaxTi30!2薄膜；步骤一中硝酸镧和次硝酸铋是按照Bi4.xLaxTi3012化学计量
比称取，其中0<乂<1。
本实施方式步骤三中得到的Bi4.xLaxTi30^溶胶，在6(TC下保温2天后， 再置于IO(TC条件下形成干凝胶，然后以5tVmin的速度升温到40(TC并保温 lh，再升温到50(TC或者600'C并再保温lh，降到室温后取出，得Bi4.xLaxTi3012
纳米粉体。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一的不同是步骤一中将硝酸 镧和次硝酸铋的混合物与醋酸按1 : 40摩尔比混合，然后缓慢加入质量百分比 浓度为99.5%的乙二醇溶液，使溶液中镧离子和铋离子总和与乙二醇的摩尔比 为1 : 10，室温搅拌10min。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一的不同是步骤二中将质量 百分比浓度为99.5%的乙二醇溶液缓慢加入钛酸四丁酯中，使溶液中铋离子与 乙二醇的摩尔比为1 : 10，室温搅拌10min。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一的不同是步骤三中室温搅 拌时间为30min。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一的不同是步骤四中将 Pt/Ti/Si02/Si基片分别在丙酮和无水乙醇中超声处理5min。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一的不同是步骤五中以 1500r/min旋涂10s,再以3000r/min旋涂15s。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一的不同是步骤五中在室温
条件下干燥5min，再置于温度为6(TC条件下干燥30min。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一的不同是步骤六中将薄膜 C放入60(TC马弗炉中焙烧10min后取出冷却至室温。其它步骤及参数与具体 实施方式一相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一的不同是步骤六可重复操 作2 10次。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
九的不同是步骤六可重复操 作6次。其它步骤及参数与具体实施方式
九相同。
具体实施方式
十一本实施方式(020)择优取向钛酸铋薄膜的制备方法 步骤如下 一、将硝酸镧和次硝酸铋的混合物与醋酸按1 : 40摩尔比混合，然 后缓慢加入质量百分比浓度为99.5%的乙二醇溶液，使溶液中镧离子和铋离子 总和与乙二醇的摩尔比为1 : 10，室温搅拌10min，得溶液A; 二、将质量百 分比浓度为99.5%的乙二醇溶液缓慢加入钛酸四丁酯中，使溶液中铋离子与乙 二醇的摩尔比为l : 10，室温搅拌10min，得溶液B;三、将溶液A和溶液B 混合，室温搅拌30min，得Bi4.J^Ti3(^溶胶；四、将Pt/Ti/Si02/Si基片分别 在丙酮和无水乙醇中超声处理5min，干燥；五、将Bi4《LaxTi30,2溶胶通过匀 胶机旋涂到处理过的Pt/Ti/Si02/Si基片上，以1500 r/min旋涂10s，再以 3000r/min旋涂15s后在室温条件下干燥5min，再置于温度为6(TC条件下干燥 30min，得薄膜C;六、将薄膜C放入600'C马弗炉中焙烧10min后取出冷却 至室温，得Bi325Lao.75Ti3012薄膜；其中步骤一中硝酸镧和次硝酸铋是按照 Bi3.25La。75Ti3012化学计量比称取。
本实施方式中所得Bi3.25Lao.75Ti3012薄膜XRD测试结果如图1所示， Bi3.25Laa75Ti3012薄膜呈现(020)、 (111)择优取向，经性能测试，该薄膜的铁 电铁磁性能显著提高；813.251^0.75713012薄膜的原子力显微照片如图2所示， Bi3 25Lao75Ti30,2薄膜的表面粗糙度比较小仅为5 10nm，薄膜致密度高、颗粒 分布均匀。
权利要求
1、一种(020)择优取向钛酸铋薄膜的制备方法，其特征在于(020)择优取向钛酸铋薄膜的制备方法步骤如下一、将硝酸镧和次硝酸铋的混合物与醋酸按1∶10～80摩尔比混合，然后缓慢加入质量百分比浓度为99.0％～99.8％的乙二醇溶液，使溶液中镧离子与铋离子总和与乙二醇的摩尔比为1∶5～18，室温搅拌8～12min，得溶液A；二、将质量百分比浓度为99.0％～99.8％的乙二醇溶液缓慢加入钛酸四丁酯中，使溶液中铋离子与乙二醇的摩尔比为1∶5～18，室温搅拌8～12min，得溶液B；三、将溶液A和溶液B混合，室温搅拌20～40min，得Bi4-xLaxTi3O12溶胶；四、将Pt/Ti/SiO2/Si基片分别在丙酮和无水乙醇中超声处理4～6min，干燥；五、将Bi4-xLaxTi3O12溶胶通过匀胶机旋涂到处理过的Pt/Ti/SiO2/Si基片上，以1300～1700r/min旋涂10s，再以2800～3200r/min旋涂15s后在室温条件下干燥4～6min，再置于温度为50～70℃条件下干燥20～40min，得薄膜C；六、将薄膜C放入580～620℃马弗炉中焙烧8～12min后取出冷却至室温，得Bi4-xLaxTi3O12薄膜；步骤一中硝酸镧和次硝酸铋是按照Bi4-xLaxTi3O12化学计量比称取，其中0<X<1。
2、 根据权利要求1所述的一种(020)择优取向钛酸铋薄膜的制备方法， 其特征在于步骤一中将硝酸镧和次硝酸铋的混合物与醋酸按1 : 40摩尔比混 合，然后缓慢加入质量百分比浓度为99.5%的乙二醇溶液，使溶液中镧离子与 铋离子总和与乙二醇的摩尔比为1 : 10，室温搅拌10min。
3、 根据权利要求l所述的一种(020)择优取向钛酸铋薄膜的制备方法， 其特征在于步骤二中将质量百分比浓度为99.5%的乙二醇溶液缓慢加入钛酸 四丁酯中，使溶液中铋离子与乙二醇的摩尔比为1 : 10，室温搅拌10min。
4、 根据权利要求1所述的一种(020)择优取向钛酸铋薄膜的制备方法， 其特征在于步骤三中室温搅拌时间为30min。
5、 根据权利要求1所述的一种(020)择优取向钛酸铋薄膜的制备方法， 其特征在于步骤四中将Pt/Ti/Si02/Si基片分别在丙酮和无水乙醇中超声处理 5min。
6、 根据权利要求l所述的一种(020)择优取向钛酸铋薄膜的制备方法， 其特征在于步骤五中以1500r/min旋涂10s,再以3000r/min旋涂15s。
7、 根据权利要求1所述的一种(020)择优取向钛酸铋薄膜的制备方法， 其特征在于步骤五中在室温条件下干燥5min，再置于温度为60'C条件下干燥 30min。
8、 根据权利要求1所述的一种(020)择优取向钛酸铋薄膜的制备方法， 其特征在于步骤六中将薄膜C放入60(TC马弗炉中焙烧10min后取出冷却至室温o
全文摘要
一种(020)择优取向钛酸铋薄膜的制备方法，它涉及一种薄膜材料的制备工艺。它解决现有技术中制备Bi<sub>4-x</sub>La<sub>x</sub>Ti<sub>3</sub>O<sub>12</sub>薄膜工艺复杂、结晶温度高、表面粗糙、无择优取向性、铁电性能差、致密度低和颗粒分布不均的问题。制备方法将硝酸镧和次硝酸铋溶于醋酸中，加入乙二醇溶液后，与加入乙二醇溶液的钛酸四丁酯溶液混合搅拌得Bi<sub>4-x</sub>La<sub>x</sub>Ti<sub>3</sub>O<sub>12</sub>溶胶，然后将此溶胶旋涂到清洗过的Pt/Ti/SiO<sub>2</sub>/Si基片上，干燥、焙烧，晶化热处理后得Bi<sub>4-x</sub>La<sub>x</sub>Ti<sub>3</sub>O<sub>12</sub>薄膜。本发明Bi<sub>4-x</sub>La<sub>x</sub>Ti<sub>3</sub>O<sub>12</sub>薄膜的制备成膜质量高、结晶温度低、呈现(020)择优取向、有利于提高铁电性能、成本低、工艺简单、适用于工业化生产。
文档编号C04B41/45GK101376598SQ20081013724
公开日2009年3月4日 申请日期2008年9月28日 优先权日2008年9月28日
发明者徐加焕, 华 柯, 文 王, 贾德昌, 林 陈 申请人:哈尔滨工业大学