专利名称：一种钛酸锶钡多层薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种钛酸锶钡多层薄膜及其制备方法，属于功能信息材料领域。
背景技术：
钛酸锶钡(BaxSivxTiO3, BST)薄膜材料由于其优越的介电性能，在下一代动态随机存储器、微波调谐器件等方面具有广泛的应用前景。与众多的制备方法相比， 化学法具有均勻性好、化学计量比容易控制，设备简单等诸多优点，目前已被广泛用于薄膜材料的制备。近年来，已有很多关于采用化学法制备钛酸锶钡薄膜材料的报导， 如,Synthesis and dielectric characteristic of Ba1_xSrxTi03thin films-based strontium-barium alkoxides derivatives”，MaterialsChemistry and Physics. 69， 166 ；“Chemical mechanical polishing OfBa0 6Sr0 4Ti03 film prepared by sol-gel method，，，MicroelectronicEngineering 75，149 ；“Chemical solution deposition of<100>-orIentedSrTiO3 buffer layers on Ni substrates， Journal of Materials Research 17，1678。从这些文献报道的结果来看，多数是制备具有单一组分的钛酸锶钡 (BaxSr1^xTiO3)薄膜，由于单组份钛酸锶钡薄膜通常不能在具备高调谐率的同时又具有低的介电损耗，不能满足应用要求。
发明内容
本发明的目的在于通过一种钛酸锶钡多层膜(B^7Sra3TiCVBiia5Sra5TiO3)2的制备，在不增加介电损耗的情况下使其介电常数和调谐率由于Maxwell-Wagner效应而提高， 从而获得高调谐率和低损耗的BST薄膜材料。为了实现上述目的本发明采用如下技术方案钛酸锶钡多层薄膜，其特征在于钛酸锶钡多层薄膜是在基片Pt/Ti/Si02/ Si上以BEia5Sra5TiO3和Ba0.7Sr0.3Ti03的先后顺序制备两个周期，构成(Ba0.7Sr0.3Ti03/ Ba0.5Sr0.5Ti03) J基片形式的多层膜结构。所述的钛酸锶钡多层薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)前驱胶体的制备a :Ba0.5Sr0.5Ti03 前驱胶体的制备采用分析纯的醋酸钡、醋酸锶和钛酸丁脂作为溶质，乙二醇甲醚和乙酰丙酮作为溶剂；称量按照Ba Sr的摩尔比例为5 5，称取醋酸钡和醋酸锶加入盛有醋酸的烧杯中，在40-80°C搅拌直到醋酸钡和醋酸锶完全溶解；量取与醋酸钡和醋酸锶之和等摩尔量的钛酸丁酯，加入盛有乙酰丙酮的烧杯中， 40-80°C搅拌 10-20 分钟；将以上两种溶液混合，40-80 V搅拌20-40分钟后再在室温下搅拌5. 5_6. 5小时，然后用乙二醇甲醚将溶液中的溶质浓度调整到0. 1-0. 5摩尔/升，过滤后得到稳定的Ba0.5Sr0.5Ti03 前驱胶体。b :Ba0.7Sr0.3Ti03 前驱胶体的制备采用分析纯的醋酸钡、醋酸锶和钛酸丁脂作为溶质，乙二醇甲醚和乙酰丙酮作为溶剂；称量按照Ba Sr的摩尔比例为7 3，称取醋酸钡和醋酸锶加入盛有醋酸的烧杯中，在40-80°C搅拌直到醋酸钡和醋酸锶完全溶解；量取与醋酸钡和醋酸锶之和等摩尔量的钛酸丁酯，加入盛有乙酰丙酮的烧杯中， 40-80°C搅拌 10-20 分钟；将以上两种溶液混合，40-80 V搅拌20-40分钟后再在室温下搅拌5. 5_6. 5小时，然后用乙二醇甲醚将溶液中的溶质浓度调整到0. 1-0. 5摩尔/升，过滤后得到稳定的 Ba0.7Sr0.3Ti03 前驱胶体。(2)甩胶与热解过程将Baa5Sra5TiO3前驱胶体滴到基片上，用勻胶机将溶液均勻甩开，在基片上形成凝胶，甩胶速度为每分钟3000-6000转，甩胶时间为20-60秒，然后再将基片及凝胶膜放入退火炉中进行热解处理，热解温度200°C -400°C，时间10-40分钟；(3)热处理晶化过程将上述热解过的薄膜置入管式退火炉中，升温到650°C -900°C，退火30-120分钟，在退火过程中，通入氧气氛，最后获得晶化的 Ba0.5Sr0.5Ti03/ 基片薄膜；(4)多层膜形成将上述晶化的Biia 5Sr0.5Ti03薄膜，在其表面滴加Biia 7Sr0.3Ti03前驱胶体，重复上述的甩胶和热处理工艺，获得B^7Sra3TiO3ZBiia5Sra5TiO3/基片双层薄膜， 再如此交替重复可以获得两个周期的(B^l7Sra3TiCVBiia5Sra5TiO3)2/基片多层膜。钛酸锶钡多层薄膜的制备方法，其特征在于所述的醋酸、乙酰丙酮的用量是不定的，只需其中的溶质完全溶解即可。基片为Pt/Ti/Si02/Si基片。本发明的有益效果1、本发明的多层膜制备方法，制作设备和工艺简单，制作成本低，适用于大面积膜的制备，有利于商业应用。2、本发明的多层膜制备方法，得到了介电性能良好的钛酸锶钡薄膜，与 Baa5Sra5TiO3和B^7Sra3TiO3单组分薄膜相比，多层膜的介电常数和调谐率更大，而且多层膜的介电损耗比单层膜更低，从而多层膜具有更加优越的性能，适合在微波调谐器件、下一代动态随机存储器等方面的应用。
图1为钛酸锶钡薄膜的X-射线衍射图，(a)是Biia5Sra5TiO3, (b)是B^l7Sra3TiO3, (c)是(B^l7Sra3TiCVBiia5Sra5TiO3)2多层膜。从图中可以看出，多层膜和单层膜都形成了钙钛矿结构，且没有杂相生成。图2为钛酸锶钡薄膜的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)照片，(a)是 Baa5Sra5TiO3, (b)是 Ba。.7&~。.3Ti03，(c)是(B^l7Sra3TiO3ZBiia5Sra5TiO3)2 多层膜。从图中可以看出多层膜表面很致密，没有孔洞。图3(a)为三种薄膜的介电常数与频率的关系，其中BST0. 5，BST0. 7和BST0. 7/0. 5 分别代表 BEta5Sra5TiC^BEia7Sra3TiO3 和(BEia7Sra3Ti(VBEia5Sra5TiO3)2 薄膜材料，(b)是三种薄膜的介电损耗随频率的变化关系，(C)是三种薄膜的介电常数随外加偏压的关系。从图中可以看出，多层膜比单层膜具有更大的介电常数和调谐率以及更低的介电损耗。
具体实施例方式钛酸锶钡(B 7Sr0.3Ti03/Ba0.5Sr0.5Ti03) 2多层膜的化学溶液沉积法制备首先对所用的器皿清洗，将要用的烧杯、滴管、注射器、称量瓶、玻璃棒用15%的稀硝酸浸泡M小时，再用自来水冲洗，去离子水冲洗多次，然后用酒精清洗，将清洗好的器皿在50°C的条件下烘烤2小时后备用。1. Ba0.5Sr0.5Ti03 前驱胶体的制备采用分析纯的醋酸钡、醋酸锶和钛酸丁酯作为溶质，乙二醇甲醚和乙酰丙酮作为溶剂；(1)称量0. 0015摩尔的醋酸钡和0. 0015摩尔的醋酸锶加入盛有5毫升的醋酸的烧杯中，在70°C搅拌直到醋酸钡和醋酸锶完全溶解；(2)称量钛酸丁酯0. 003摩尔，加入盛有5毫升乙酰丙酮的烧杯中，70°C搅拌15分钟；(3)将以上两种溶液混合，70°C搅拌30分钟后再在室温下搅拌6小时，用乙二醇甲醚滴定溶液到10毫升，过滤后得到稳定的B^l5Sra5TiO3前驱胶体。2. Ba0.7Sr0.3Ti03 前驱胶体的制备(1)称量0. 0021摩尔的醋酸钡和0. 0009摩尔的醋酸锶加入盛有5毫升的醋酸的烧杯中，在70°C搅拌直到醋酸钡和醋酸锶完全溶解；(2)称量钛酸丁酯0. 003摩尔，加入盛有5毫升乙酰丙酮的烧杯中，70°C搅拌15分钟；(3)将以上两种溶液混合，70°C搅拌30分钟后再在室温下搅拌6小时，用乙二醇甲醚滴定溶液到10毫升，过滤后得到稳定的B^l7Sra3TiO3胶体。3. (Ba0.7Sr0.3Ti03/Ba0.5Sr0.5Ti03)2 多层膜的制备将制备好的B^l5Sra5TiO3胶体滴到基片Pt/Ti/Si02/Si上，再用勻胶机将其均勻甩开，甩胶速度为4000转/分钟，时间为30秒；再将基片及凝胶膜放入退火炉中进行热处理，在400°C干燥、热解30分钟，然后升温到700°C下退火60分钟，在退火过程中，气氛为氧气。之后在此薄膜上滴加B、7Sr0.3Ti03胶体，用同样的甩胶和热处理工艺，这样便得到了一个周期的双层膜。然后再在上面依次制备Biia5Sra5TiO3和Biia7Sra3TiO3薄膜，即可获得具有两个周期的(BEia7Sra3Ti(VBEia5Sra5TiO3)2 多层膜。4.材料鉴定(I)X射线衍射仪分析表明钛酸锶钡多层膜和单层膜都具有完整的钙钛矿结构， 没有第二相存在。(2)扫描电子显微镜测试表明多层膜表面较致密，没有孔洞。(3)对薄膜介电性能测试表明多层膜的介电常数和调谐率都高于单层膜，且多层膜的介电损耗更低。上述方法制备的(B^l7Sra3TiCVBiia5Sra5TiO3)2多层膜具有优越的介电性能，从而可以在微波调谐器件中得到应用。另外，上述钛酸锶钡多层膜的制备方法不仅仅用于Pt/Ti/Si02/Si基片，可以用于其它各种基片，如单晶Si、蓝宝石等基片。
权利要求
1.一种钛酸锶钡多层薄膜，其特征在于钛酸锶钡多层薄膜是在基片Pt/Ti/Si02/ Si上以BEia5Sra5TiO3和Ba0.7Sr0.3Ti03的先后顺序制备两个周期，构成(Ba0.7Sr0.3Ti03/ Ba0.5Sr0.5Ti03) J基片形式的多层膜结构。
2.一种如权利要求1所述的钛酸锶钡多层薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)前驱胶体的制备a :Ba0.5Sr0.5Ti03前驱胶体的制备采用分析纯的醋酸钡、醋酸锶和钛酸丁脂作为溶质，乙二醇甲醚和乙酰丙酮作为溶剂；称量按照Ba Sr的摩尔比例为5 5，称取醋酸钡和醋酸锶加入盛有醋酸的烧杯中， 在40-80°C搅拌直到醋酸钡和醋酸锶完全溶解；量取与醋酸钡和醋酸锶之和等摩尔量的钛酸丁酯，加入盛有乙酰丙酮的烧杯中， 40-80°C搅拌 10-20 分钟；将以上两种溶液混合，40-80°C搅拌20-40分钟后再在室温下搅拌5. 5-6.5小时， 然后用乙二醇甲醚将溶液中的溶质浓度调整到0. 1-0. 5摩尔/升，过滤后得到稳定的 Ba0.5Sr0.5Ti03 前驱胶体；b :Ba0.7Sr0.3Ti03前驱胶体的制备采用分析纯的醋酸钡、醋酸锶和钛酸丁脂作为溶质，乙二醇甲醚和乙酰丙酮作为溶剂；称量按照Ba Sr的摩尔比例为7 3，称取醋酸钡和醋酸锶加入盛有醋酸的烧杯中， 在40-80°C搅拌直到醋酸钡和醋酸锶完全溶解；量取与醋酸钡和醋酸锶之和等摩尔量的钛酸丁酯，加入盛有乙酰丙酮的烧杯中， 40-80°C搅拌 10-20 分钟；将以上两种溶液混合，40-80°C搅拌20-40分钟后再在室温下搅拌5. 5-6. 5小时， 然后用乙二醇甲醚将溶液中的溶质浓度调整到0. 1-0. 5摩尔/升，过滤后得到稳定的 Baa7Sra3TiO3 前驱胶体；(2)甩胶与热解过程将B^l5Sra5TiO3前驱胶体滴到基片上，用勻胶机将溶液均勻甩开，在基片上形成凝胶，甩胶速度为每分钟3000-6000转，甩胶时间为20-60秒，然后再将基片及凝胶膜放入退火炉中进行热解处理，热解温度200°C -400°C，时间10-40分钟；(3)热处理晶化过程将上述热解过的薄膜置入管式退火炉中，升温到650°C-900 退火30-120分钟，在退火过程中，通入氧气氛，最后获得晶化的Biia5Sra5TiO3/基片薄膜；(4)多层膜形成将上述晶化的B、5Sr0.5Ti03薄膜，在其表面滴加Biia7Sr0.3Ti03前驱胶体，重复上述的甩胶和热处理工艺，获得B^7Sra3TiO3ZBiia5Sra5TiO3/基片双层薄膜，再如此交替重复可以获得两个周期的(B^l7Sra3TiCVBiia5Sra5TiO3)2/基片多层膜。
3.根据权利要求2所述的钛酸锶钡多层薄膜的制备方法，其特征在于所述的醋酸、乙酰丙酮的用量是不定的，只需其中的溶质完全溶解即可，基片为Pt/Ti/Si02/Si基片。
全文摘要
本发明公开了一种钛酸锶钡多层薄膜及其制备方法，其主要是将一定的摩尔比的醋酸钡、醋酸锶、钛酸丁酯溶于醋酸、乙二醇甲醚和乙酰丙酮溶液中分别配制成钡、锶比例不同的稳定前驱胶体，然后在硅基铂金等基片上交替进行匀胶、热处理，直到所需的厚度为止。本发明采用化学溶液沉积方法制备这一钛酸锶钡多层膜结构，获得了具有高调谐率和低的介电损耗的薄膜材料，可应用于微波调谐器件。
文档编号C01G23/00GK102229265SQ20111010966
公开日2011年11月2日 申请日期2011年4月29日 优先权日2011年4月29日
发明者吴大俊, 孙玉平, 常青, 张伟杰, 戴建明, 朱雪斌 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院