低温自组装Bi_4-xY_xTi₃O₁₂铁电薄膜的方法

专利名称：低温自组装Bi_4-xY_xTi₃O₁₂铁电薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种Bi4—xYxTi3012铁电薄膜的制备方法。
背景技术：
Bi4—xYxTi3012铁电薄膜具有良好的疲劳性和较大的剩余极化；但现有工艺制备铁 电薄膜存在因晶化温度过高(晶化温度大于65(TC )，易引起薄膜与衬底之间出现裂痕，而 不利于大规模集成电路的生产的问题。

发明内容
本发明的目的是为了解决现有工艺制备铁电薄膜存在因晶化温度过高不利于大 规模集成电路的生产的问题。 本发明的低温自组装铁电薄膜的方法是按下述步骤进行的一、依照分子式 Bi4—乂113012，按化学计量比分别称取硝酸铋、硝酸钇和钛酸四丁酯，0 < x《3，然后将所称 取的硝酸铋溶于乙二醇甲醚中配得浓度为0. 40 0. 45g/mL的硝酸铋溶液(无色透明澄 清溶液)，再将所称取的硝酸钇溶于乙二醇甲醚中配得浓度为0. 035 0. 040g/mL硝酸钇 溶液(无色透明澄清溶液)，然后将硝酸铋溶液与硝酸钇溶液混匀，再加入所称取的钛酸四 丁酯，然后再加入乙二醇甲醚使钛离子的浓度为0. 3mol/L，磁力搅拌30min，过滤(除去溶 液中的杂质和溶液中的较大的胶粒，避免聚集生成沉淀影响溶液的稳定性)，得到前驱体 溶液；二、将前驱体溶液滴在衬底上，启动匀胶机匀胶，匀胶速度为4000r/min，匀胶时间为 30 40s，制得湿膜，然后在300 40(TC下将湿膜干燥5 10min (使有机物和小分子物质 挥发)，形成厚度55nm 65nm的无定形态的BYT薄膜；三、经步骤二处理的衬底放入水热 釜中，然后在150 18(TC进行晶化2 5h ;即实现了低温自组装Bi4—xYxTi3012铁电薄膜。
本发明的方法还可在进行步骤三的操作之前，重复整个步骤二的操作1至10次。
本发明方法制备的铁电薄膜的表面平整，为均一相，界面清晰，晶化完全，薄膜与 衬底之间无裂痕出现，利于大规模集成电路的生产。铁电性能与现有方法制备的铁电性能 相当。其中813.^。.4113012铁电薄膜的自发极化值(Ps) :7.57iiC/cm2，剩余极化值(2Pr): 8. 42ii C/cm2、矫顽场强度(Ec) :77. 06kV/cm晶化温度为160°C。


图1是在不同水热处理时间、15(TC水热温度下制得Bi^Y。.eTiA2铁电薄膜的 X-射线衍射图，图中a表示水热处理时间为3h制得的Bi3.4Y。.6Ti3012铁电薄膜的X-射线衍 射图，b表示水热处理时间为4h制得的Bi3.4Y。.6Ti3012铁电薄膜的X-射线衍射图，c表示水 热处理时间为5h制得的Bi3.4Y。.6Ti3012铁电薄膜的X-射线衍射图；图2是在不同水热处理 时间、1601:水热温度下制得的813.4\6113012铁电薄膜的乂-射线衍射图，&表示水热处理时 间为2h制得的Bi3.4Y。.6Ti3012铁电薄膜的X-射线衍射图，b表示水热处理时间为3h制得的 Bi3.4Y。.6Ti3012铁电薄膜的X-射线衍射图，c表示水热处理时间为4h制得的Bi3.4Y。.6Ti3012铁电薄膜的X-射线衍射图；图3是160°C Bi^Y。.eTiA2铁电薄膜水热处理2小时的AFM平面 图；图4是160°C Bi3.4Y。.6Ti3012薄膜水热处理2小时的三维AFM图。
具体实施例方式
具体实施方式
一 本实施方式低温自组装铁电薄膜的方法是按下述步骤进行 的一、依照分子式Bi^^;113012，按化学计量比分别称取硝酸铋、硝酸钇和钛酸四丁酯， 0 < x《3，然后将所称取的硝酸铋溶于乙二醇甲醚中配得浓度为0. 40 0. 45g/mL的 硝酸铋溶液(无色透明澄清溶液)，再将所称取的硝酸钇溶于乙二醇甲醚中配得浓度为 0. 035 0. 040g/mL硝酸钇溶液(无色透明澄清溶液)，然后将硝酸铋溶液与硝酸钇溶液 混匀，再加入所称取的钛酸四丁酯，然后再加入乙二醇甲醚使钛离子的浓度为0. 3mol/L，磁 力搅拌30min，过滤(除去溶液中的杂质和溶液中的较大的胶粒，避免聚集生成沉淀影响 溶液的稳定性)，得到前驱体溶液；二、将前驱体溶液滴在衬底上，启动匀胶机匀胶，匀胶速 度为4000r/min，匀胶时间为30 40s，制得湿膜，然后在300 400。C下将湿膜干燥5 10min(使有机物和小分子物质挥发)，形成厚度55nm 65nm的无定形态的BYT薄膜；三、 经步骤二处理的衬底放入水热釜中，然后在150 18(TC进行晶化2 5h ;即实现了低温自 组装Bi^乂113012铁电薄膜。 经XRD分析，本实施方式铁电薄膜的结构特征峰(008)、(117)及(200)等明显，说 明Bi3.6Y。.4Ti3012铁电薄膜的晶体结构为层状钙钛矿结构。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中的X = 0. 5、 0.6、0. 75、1或2。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
一或二不同的是步骤二中所述的
衬底为Pt/Ti/Si02/Si基片。其它步骤及参数与具体实施方式
一或二相同。 具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一至三不同的是步骤三中所述的
晶化温度为155 175°C。其它步骤及参数与具体实施方式
一至三相同。 具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至三不同的是步骤三中所述的
晶化温度为160°C。其它步骤及参数与具体实施方式
一至三相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至五不同的是步骤三中所述的 晶化时间为3h。其它步骤及参数与具体实施方式
一至五相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至五不同的是步骤三中所述的 晶化时间为4h。其它步骤及参数与具体实施方式
一至五相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七不同的是在进行步骤三的 操作之前，重复步骤二的操作1至10次。其它步骤及参数与具体实施方式
一至七相同。
具体实施方式
九本实施方式低温自组装Bi3.6Y。.4Ti3012铁电薄膜的方法是按下述 步骤进行的一、依照分子式Bi3.6Y。.4Ti3012，分别称取3. 6mo1硝酸铋、0. 4mo1硝酸钇和3mo1 钛酸四丁酯，然后将所称取的硝酸铋溶于20mL乙二醇甲醚中配得硝酸铋溶液(无色透明澄 清溶液)，再将所称取的硝酸钇溶于20mL乙二醇甲醚中配得硝酸钇溶液(无色透明澄清溶 液)，然后将硝酸铋溶液与硝酸钇溶液混匀，再加入所称取的钛酸四丁酯，然后再加入乙二 醇甲醚使钛离子的浓度为0. 3mol/L，磁力搅拌30min，过滤(除去溶液中的杂质和溶液中的 较大的胶粒，避免聚集生成沉淀影响溶液的稳定性)，得到前驱体溶液；二、将前驱体溶液滴在衬底上，启动匀胶机匀胶，匀胶速度为4000r/min，匀胶时间为30s，制得湿膜，然后在 40(TC下将湿膜干燥5min (有机物和小分子物质挥发)，形成厚度60nm的无定形态的BYT薄 膜；三、经步骤二处理的衬底放入水热釜中，然后在15(TC进行晶化2 5h ;即实现了低温 自组装Bi3.6Y。.4Ti3012铁电薄膜。 本实施方式制备的Bi3.6Y。.4Ti3012铁电薄膜的自发极化值(Ps) :7. 07 y C/cm、剩余 极化值(2Pr) :8. 25ii C/cm2，矫顽场强度(Ec) :84. 64kV/cm 采用X-射线衍射仪对本实施方式制备的Bi3.6Y。. 4Ti3012铁电薄膜进行检测，结果如 图1所示。由图1可知，本实施方式813.^。.4113012铁电薄膜的结构特征峰(008)、 (117)及 (200)等明显，说明813.6\4113012铁电薄膜的晶体结构为层状钙钛矿结构，晶化完全。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
九不同的是步骤三中的晶化温度 为16(TC。其它步骤和参数与具体实施方式
九相同。 本实施方式制备的813.^。.4113012铁电薄膜的自发极化值(Ps) :7. 57ii C/cm2，剩余 极化值(2Pr) :8. 42ii C/cm2、矫顽场强度(Ec) :77. 06kV/cm。 采用X-射线衍射仪、原子显微镜(AFM)对本实施方式制备的Bi3.6Y。.4Ti3012铁电薄 膜进行检测，结果如图2 4所示。 由图2可知，本实施方式813.^。.4113012铁电薄膜的结构特征峰(008)、 (117)及 (200)等明显，说明Bi3.6Y。.4Ti3012铁电薄膜为层状钙钛矿结构。 由图3和4可知，由图3可以看出薄膜表面致密、平整，为均一相。由图4可以清 楚看出自组装花纹，且薄膜的表面粗糙度很小。
具体实施方式
i^一、本实施方式与具体实施方式
九不同的是在进行步骤二操作 之后、步骤三的操作之前，重复步骤二的操作1至10次。其它步骤和参数与具体实施方式
九相同。
权利要求
低温自组装Bi4-xYxTi3O12铁电薄膜的方法，其特征在于低温自组装Bi4-xYxTi3O12铁电薄膜的方法是按下述方法制备的一、依照分子式Bi4-xYxTi3O12，按化学计量比分别称取硝酸铋、硝酸钇和钛酸四丁酯，0＜x≤3，然后将所称取的硝酸铋溶于乙二醇甲醚中配得浓度为0.40～0.45g/mL的硝酸铋溶液，再将所称取的硝酸钇溶于乙二醇甲醚中配得浓度为0.035～0.040g/mL硝酸钇溶液，然后将硝酸铋溶液与硝酸钇溶液混匀，再加入所称取的钛酸四丁酯，然后加入乙二醇甲醚使钛离子的浓度为0.3mol/L，磁力搅拌30min，过滤，得到前驱体溶液；二、将前驱体溶液滴在衬底上，启动匀胶机匀胶，匀胶速度为4000r/min，匀胶时间为30～40s，制得湿膜，然后在300～400℃下将湿膜干燥5～10min，形成厚度55nm～65nm的无定形态的BYT薄膜；三、经步骤二处理的衬底放入水热釜中，然后在150～180℃进行晶化2～5h；即实现了低温自组装Bi4-xYxTi3O12铁电薄膜。
2. 根据权利要求1所述的低温自组装Bi4—^;113012铁电薄膜的方法，其特征在于步骤 一中的x = 0. 5、0. 6、0. 75、1或2。
3. 根据权利要求1或2所述的低温自组装Bi4—xYxTi3012铁电薄膜的方法，其特征在于 步骤二中所述的衬底为Pt/Ti/Si02/Si基片。
4. 根据权利要求3所述的低温自组装Bi4—xYxTi3012铁电薄膜的方法，其特征在于步骤 三中所述的晶化温度为155 175°C。
5. 根据权利要求3所述的低温自组装Bi4—xYxTi3012铁电薄膜的方法，其特征在于步骤 三中所述的晶化温度为160°C。
6. 根据权利要求4所述的低温自组装Bi4—xYxTi3012铁电薄膜的方法，其特征在于步骤 三中所述的晶化时间为3h。
7. 根据权利要求4所述的低温自组装Bi4—xYxTi3012铁电薄膜的方法，其特征在于步骤 三中所述的晶化时间为4h。
8. 根据权利要求l、2、4、5、6或7所述的低温自组装Bi4—乂113012铁电薄膜的方法，其 特征在于在进行步骤三的操作之前，重复步骤二的操作1至10次。
全文摘要
低温自组装Bi4-xYxTi3O12铁电薄膜的方法，它涉及一种Bi4-xYxTi3O12铁电薄膜的制备方法。本发明解决了现有工艺制备Bi4-xYxTi3O12铁电薄膜存在因晶化温度过高不利于大规模集成电路的生产的问题。本发明的方法如下一、分别称取硝酸铋、硝酸钇和钛酸四丁酯，制备前驱体溶液；二、将前驱体溶液滴在衬底上，启动匀胶机匀胶形成一定厚度的无定形态BYT薄膜；三、水热釜中晶化；即实现了低温自组装Bi4-xYxTi3O12铁电薄膜。本发明方法制备的Bi4-xYxTi3O12铁电薄膜主要用于规模集成电路的生产，其表面平整，均一相，界面清晰，薄膜与衬底之间无裂痕出现，利于大规模集成电路的生产。
文档编号C30B29/32GK101748489SQ20091007306
公开日2010年6月23日 申请日期2009年10月16日 优先权日2009年10月16日
发明者刘洪成 申请人:齐齐哈尔大学