专利名称：一种纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及导电纳米线的应用以及电介质底电极材料的使用技术。尤其是 通过溶胶-凝胶法在纳米线底电极基板上形成的纳米线底电极/电介质复合高容 量薄膜电容器结构。
技术背景自从发现碳纳米管以来， 一维纳米材料的研究引起了人们极大的兴趣。与碳 纳米管相比，纳米线的成分易于控制，因此，纳米线的研究更是引起了人们极 大的兴趣。随着纳米线研究的发展，各种不同的硅化物纳米线被制备出来。然 而，到目前为止，对硅化物纳米线的应用的研究还处于初始阶段，大多数对硅 化物纳米线的研究都集中在其制备研究上，而对其应用的研究比较少，显然， 硅化物纳米线的应用前景需要进一步开拓。随着器件小型化程度要求的不断提高，在电路中起重要作用的电容器的小型 化已经成为电子仪器小型化的关键，而大容量小体积的薄膜电容器将具有更大 的应用空间。从理论上分析，提高电容可以从增大电极和电介质之间的接触面 积，减小电介质厚度，使用高介电常数材料等方面来着手。由于电介质层厚度 的减小是有限的，而传统的增大电极和电介质之间接触面积的方法一方面对电 容增大有限，另一方面又易于使得器件体积庞大，因此，目前，高介电常数材 料的使用成为了提高电容的一个很重要的选择。然而，材料的介电常数并不是 能够无限提高的，随着对电容器容量要求越来越高，显然只靠单一的高介电常 数电介质材料也并不能真正解决问题。所以给出一种全新的思路并发明一种新 的结构必将成为高容量薄膜电容器取得突破的关键。硅化钛由于其高熔点低电阻率而被广泛用作电路中的接触和互连。硅化钛纳 米线由于其本身的导电性，若制备成硅化钛底电极与导电硅化钛纳米线的一体 结构，形成纳米线电极层，并以此作为薄膜电容器的底电极，再在上面复合电 介质材料层，在同样的占有尺度下其电介质与电极的接触面积将极大地增加。 以此可知，当使用高导电性大比表面积的硅化钛纳米线作为电介质底电极时， 同样的电介质材料和同样的占有尺度下，其薄膜电容器的电容量将随之极大地 提高，这为超高容量薄膜电容器的开发提供了新的方法，也为器件小型化提供 了新型的薄膜电容器件；另一方面由于该复合结构制作工艺与半导体工艺完全 匹配，非常便于纳米线在电子器件领域的应用，这将会为硅化钛纳米线以及其他导电纳米线的应用提供一种新的思路。 发明内容本发明的目的在于提供一种高容量的纳米线底电极与电介质复合薄膜电容 器及其制备方法。本发明的纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器，在基板上自下而上依次 沉积有硅化钛导电薄膜层，硅化钛纳米线底电极层和电介质薄膜层。 上述的基板可以是玻璃基板、单晶硅基板或多晶硅基板。所说的硅化钛导电薄膜层是Ti5Si3晶相或TiSi2晶相，或由Ti5Si^n TiSi2晶 相组成。所说的硅化钛纳米线底电极层是形态为纳米线、纳米钉、纳米棒、纳 米线簇或火箭状纳米线的TiSi晶相或TiSi2晶相。所说的电介质薄膜层为 BaxSr^Ti03电介质薄膜，x =0.3 1 。纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器的制备方法，采用的是溶胶-凝胶法， 包括以下步骤1) 将粉末醋酸钡和碳酸锶溶解于醋酸中，Sr与Ba的摩尔比为0 2.33，搅拌 至全部溶解，得到溶液甲；2) 将钛酸四丁脂溶解于乙二醇甲醚中，得到溶液乙；3) 将甲、乙两种溶液按摩尔比为l:l混合，配制浓度为0.3 0.6mol/l的透明前 驱体溶胶BaxSrLxTi03， x=0.3 l;4) 清洗基板，以化学气相沉积法在基板上依次沉积硅化钛导电薄膜层和硅 化钛纳米线底电极层；5) 用提拉法在硅化钛纳米线底电极层上涂覆B^Sr^Ti03前驱体溶胶；6) 在580 64(TC热处理30 60min，得到纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器。BaxSri_xTi03电介质薄膜的厚度由提拉速度决定。 一般，提拉速度控制在 2cm/min 6cm/min 。本发明与背景技术相比具有的有益效果有1、 采用溶胶-凝胶法制备纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器，对设备要 求低，操作方便，易于实现。2、 通过在硅化钛纳米线底电极层上制备B^Sr^Ti03电介质薄膜，利用硅化 钛纳米线底电极的高比表面积，大大增加电介质和电极接触面积，提高了这种 薄膜复合结构的电容量，其电容量为相同尺度普通电极薄膜电容量的3倍以上。
图l本发明的纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器示意图；具体实施方式
以下结合附图及实施例进一步说明本发明。参照图l，本发明的纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器，在基板l上自 下而上依次沉积有硅化钛导电薄膜层2，硅化钛纳米线底电极层3和电介质薄膜 层4。实施例l1) 将粉末醋酸钡Ba (CH3COO)2和碳酸锶SrC03溶解于醋酸中，Sr与Ba的摩 尔比为0.667，搅拌至全部溶解，得到溶液甲；2) 将钛酸四丁脂Ti(OC^H^溶解于乙二醇甲醚CH3OCH2CH2OH中，得到溶 液乙；3) 将甲、乙两种溶液按摩尔比为l:l混合，配制浓度为0.35mol/l的透明前驱 体溶胶Ba^n.xTi03， x=0.6;4) 清洗玻璃基板，以化学气相沉积法在玻璃基板上依次沉积TisSi3导电薄 膜层和TiSi纳米线底电极层；5) 用提拉法以4cm/min的速度在TiSi纳米线底电极层上涂覆Bao.6Sra4Ti03前 驱体溶胶；6) 在58(TC热处理60min，得到纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器。 用阻抗分析仪测试复合薄膜电容器的电容，测试结果表明，本发明的复合薄膜电容器电容量为相同尺度ITO/电介质复合薄膜电容器电容量的3倍。 实施例21) 将粉末醋酸钡溶解于醋酸中，搅拌至全部溶解，得到溶液甲；2) 将钛酸四丁脂溶解于乙二醇甲醚中，得到溶液乙；3) 将甲、乙两种溶液按摩尔比为1:1混合，配制浓度为0.5mol/l的透明前驱 体溶胶BaxSiVxTi03， x=l;4) 清洗玻璃基板，以化学气相沉积法在玻璃基板上依次沉积Ti5Si3导电薄 膜层和TiSi2纳米线底电极层；5) 用提拉法以4cm/min的速度在TiSi2纳米线底电极层上涂覆BaTi03前驱体溶胶；6) 在640'C热处理30min,得到纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器。 测试结果表明，本发明的复合薄膜电容器电容量为相同尺度ITO/电介质复合薄膜电容器电容量的3.2倍。实施例31) 将粉末醋酸钡Ba (CH3COO)2和碳酸锶SrC03溶解于醋酸中，Sr与Ba的摩 尔比为2.33，搅拌至全部溶解，得到溶液甲；2) 将钛酸四丁脂Ti(OC4H^溶解于乙二醇甲醚中，得到溶液乙；3) 将甲、乙两种溶液按摩尔比为1:1混合，配制浓度为0.4mol/l的透明前驱 体溶胶BaxSrLxTK)3， x=0.3;4) 清洗单晶硅基板，以化学气相沉积法在单晶硅基板上依次沉积TiSi2导电 薄膜层和TiSi纳米线底电极层；5) 用提拉法以4cm/min的速度在TiSi纳米线底电极层上涂覆Bao.3Sr。.7Ti03前 驱体溶胶；6) 在60(TC热处理45min，得到纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器。 测试结果表明，本发明的复合薄膜电容器电容量为相同尺度ITO/电介质复合薄膜电容器电容量的3.1倍。 实施例41) 将粉末醋酸钡Ba (CH3COO)2和碳酸锶SrC03溶解于醋酸中，Sr与Ba的摩 尔比为1.5，搅拌至全部溶解，得到溶液甲；2) 将钛酸四丁脂Ti(OC^H^溶解于乙二醇甲醚中，得到溶液乙；3) 将甲、乙两种溶液按摩尔比为1:1混合，配制浓度为0.3mol/l的透明前驱 体溶胶BaxSr^Ti03， x=0.4;4) 清洗玻璃基板，以化学气相沉积法在玻璃基板上依次沉积Ti5Si3，TiSi2导 电薄膜层和TiSi纳米线底电极层；5) 用提拉法以4cm/min的速度在TiSi纳米线底电极层上涂覆Bao.4Sr。.6Ti03前 驱体溶胶；6) 在59(TC热处理60min，得到纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器。 测试结果表明，本发明的复合薄膜电容器电容量为相同尺度ITO/电介质复合薄膜电容器电容量的3.3倍。 实施例51) 将粉末醋酸钡Ba (CH3COO)2和碳酸锶SrC03溶解于醋酸中，Sr与Ba的摩 尔比为l，搅拌至全部溶解，得到溶液甲；2) 将钛酸四丁脂11(0<:4119)4溶解于乙二醇甲醚中，得到溶液乙；3) 将甲、乙两种溶液按摩尔比为l:l混合，配制浓度为0.5mol/l的透明前驱 体溶胶BaxSrv;n03， x=0.5;4) 清洗单晶硅基板，以化学气相沉积法在单晶硅基板上依次沉积TiSi2导电 薄膜层和TiSi2纳米线底电极层；5) 用提拉法以4cm/min的速度在TiSi2纳米线底电极层上涂覆Bao.5Sro.5Ti03前 驱体溶胶；6) 在62(TC热处理40min，得到纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器。 测试结果表明，本发明的复合薄膜电容器电容量为相同尺度ITO/电介质复合薄膜电容器电容量的3.3倍。 实施例61) 将粉末醋酸钡Ba (CH3COO)2和碳酸锶SrC03溶解于醋酸中，Sr与Ba的摩 尔比为0.667，搅拌至全部溶解，得到溶液甲；2) 将钛酸四丁脂Ti(OC4H^溶解于乙二醇甲醚中，得到溶液乙；3) 将甲、乙两种溶液按摩尔比为1:1混合，配制浓度为0.6mol/l的透明前驱 体溶胶BaxSiVxTi03， x=0.6;4) 清洗多晶硅基板，以化学气相沉积法在多晶硅基板上依次沉积TiSi2导电 薄膜层和TiSb纳米线底电极层；5) 用提拉法以4cm/min的速度在TiSi2纳米线底电极层上涂覆Bao.6SiWn03前 驱体溶胶；6) 在590'C热处理50min，得到纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器。 测试结果表明，本发明的复合薄膜电容器电容量为相同尺度ITO/电介质复合薄膜电容器电容量的3.1倍。
权利要求
1.一种纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器，其特征在于在基板(1)上自下而上依次沉积有硅化钛导电薄膜层(2)，硅化钛纳米线底电极层(3)和电介质薄膜层(4)。
2、 根据权利要求l所述的纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器，其特征 在于基板(l)是玻璃基板、单晶硅基板或多晶硅基板；
3、 根据权利要求l所述的纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器，其特征 在于硅化钛导电薄膜层(2)是Ti5Si3晶相或TiSi2晶相，或由Ti5Si3和TiSi2晶相 组成。
4、 根据权利要求l所述的纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器，其特征 在于所说的硅化钛纳米线底电极层(3)是形态为纳米线、纳米钉、纳米棒、纳 米线簇或火箭状纳米线的TiSi晶相或TiSi2晶相。
5、 根据权利要求l所述的纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器，其特征 在于所说的电介质薄膜层(4)为BaxSr^Ti03电介质薄膜，x=0.3 l。
6、 根据权利要求1所述的纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器的制备方 法，其特征在于包括以下步骤1) 将粉末醋酸钡和碳酸锶溶解于醋酸中，Sr与Ba的摩尔比为0 2.33,搅拌 至全部溶解，得到溶液甲；2) 将钛酸四丁脂溶解于乙二醇甲醚中，得到溶液乙；3) 将甲、乙两种溶液按摩尔比为l:l混合，配制浓度为0.3 0.6mol/l的透明前 驱体溶胶BaxSrLxTi03， x=0.3 l;4) 清洗基板，以化学气相沉积法在基板上依次沉积硅化钛导电薄膜层和硅 化钛纳米线底电极层；5) 用提拉法在硅化钛纳米线底电极层上涂覆B^SrhTi03前驱体溶胶；6) 在580 64(TC热处理30 60min，得到纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器o
全文摘要
本发明公开的纳米线底电极与电介质复合薄膜电容器，在基板上自下而上依次沉积有硅化钛导电薄膜层，硅化钛纳米线底电极层和电介质薄膜层。该电容器采用溶胶-凝胶法制备，对设备要求低，操作方便，易于实现。本发明利用硅化钛纳米线底电极的高比表面积，大大增加电介质和电极接触面积，提高了这种薄膜复合结构的电容量，其电容量为相同尺度普通电极薄膜电容量的3倍以上。
文档编号H01G4/005GK101252042SQ20081005999
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月7日 优先权日2008年3月7日
发明者任招娣, 宋晨路, 张溪文, 刚 徐, 杜丕一, 汪建勋, 鸽 沈, 翁文剑, 赵高凌, 韩高荣 申请人:浙江大学