专利名称：一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铁电薄膜的制备方法。
背景技术：
钙钛矿结构铌镁酸铅一钛酸铅(PMN—PT)是弛豫铁电体的典型代表，它 不但是一种性能优异的铁电材料，又因其具有独特的电学、光学和光电子学 性能(具有高介电常数，大的电致伸縮效应和压电偏压可调的特性)，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，因此得到广泛 关注。
目前制备的铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜方法较多，但是在制备过程中却因 PbO在高温下易挥发，尤其是当温度高于95(TC时，铅会大量挥发，将会严 重污染环境；又因PbO的挥发还会造成铁电薄膜间各组分的偏离，将伴随立 方或者菱面体焦绿石相的出现，影响了材料本身的铁电和电光性能；现在存 在的这些问题导致了铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的铁电性能差、电光学性能 差、纯度低、致密度低及在制备过程中烧结温度高的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有方法制备出的铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜铁 电性能差、电光学性能差、纯度低、致密度低及在制备过程中烧结温度高的问 题，提供了一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法。
制备铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的方法按以下步骤实现 一、依照化学式 (l-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTi03，按化学计量比分别称取醋酸铅、乙酸镁、乙醇 铌和钛酸四丁酯，其中0.30<x<0.35; 二、按以下比例向3.5g醋酸铅中加入 1.8 2.5 mL的冰乙酸和9.0 11.0rnL的乙二醇甲醚，然后在室温条件下搅拌 10 30min，得溶液A;三、按以下比例向0.4g的乙酸镁和3.5g的乙醇铌混 合物中加入1.8 2.5 mL的冰乙酸和9.0 11.0 mL的乙二醇甲醚，然后在温 度为60 10(TC条件下加热回流搅拌20 60min，得溶液B;四、将0.9g钛 酸四丁酯加入到溶液B中，在温度为80 12(TC条件下加热回流搅拌20 60min，得溶液C;五、将溶液A与溶液C混合后加入0.5 1.0g乙酰丙酮， 然后在室温条件下搅拌20 40min，得(l-x)Pb(Mg^Nb2/3)-xPbTi03溶胶；六、 将基片依次在丙酮和无水乙醇中超声处理4 6min，然后置于空气中自然干 燥；七、在经步骤六处理后的基片上滴加(l-x)Pb(Mgv3Nb2/3)-xPbTi(V溶胶， 在匀胶速度1000 2000r/min的条件下旋转涂敷10s，再以匀胶速度3500 4500r/min的条件下旋转涂敷20s后在温度为40 80°C条件下烘干，得薄膜D; 八、将薄膜D放入快速热处理炉中在温度为630 65(TC条件下焙烧8 15min，随炉冷却至室温，即得铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜。
本发明采用溶胶-凝胶旋涂法制得的铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜表面光 滑、致密。
本发明的方法整个过程的最高温度也仅仅为650°C，铌镁酸铅-钛酸铅铁 电薄膜各组分在份子级均匀混合，烧结温度低，有效的抑制了铌镁酸铅-钛酸 铅铁电薄膜中有效成分(PbO)的挥发；低温下得到的薄膜铁电性能将增强， 电光学性能也将变强、高纯度且薄膜间致密
本发明工艺简单、设备简单、制备周期短及所用原材料价格低廉、市场 上即可购得、成本低，易于器件集成，适合于工业化生成。
图1是具体实施方式
二十六中所得铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的XRD图， 图2是具体实施方式
二十六中所得铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的二维AFM图， 图3是具体实施方式
二十六中所得铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的三维AFM图， 图4是具体实施方式
二十六中所得铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的SEM截面图。
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
一本实施方式制备铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的方法按以 下步骤实现 一、依照化学式(l-X)Pb(Mgi/3Nb2/3)-xPbTi03，按化学计量比分
别称取醋酸铅、乙酸镁、乙醇铌和钛酸四丁酯，其中0.30<x<0.35; 二、按以 下比例向3.5g醋酸铅中加入1.8 2.5mL的冰乙酸和9.0 11.0 mL的乙二醇 甲醚，然后在室温条件下搅拌10 30min，得溶液A;三、按以下比例向0.4g的乙酸镁和3.5g的乙醇铌混合物中加入1.8 2.5 mL的冰乙酸和9.0 11.0 mL的乙二醇甲醚，然后在温度为60 100。C条件下加热回流搅拌20 60min， 得溶液B;四、将0.9g钛酸四丁酯加入到溶液B中，在温度为80 12(TC条 件下加热回流搅拌20 60min，得溶液C;五、将溶液A与溶液C混合后加 入0.5 1.0g乙酰丙酮，然后在室温条件下搅拌20 40min，得 (l-X)Pb(Mgv3Nb2/3)-xPbTi03溶胶；六、将基片依次在丙酮和无水乙醇中超声
处理4 6min，然后置于空气中自然干燥；七、在经步骤六处理后的基片上 滴加(l-x)Pb(Mg^Nb2/3)-xPbTi03溶胶，在匀胶速度1000 2000r/min的条件 下旋转涂敷10s，再以匀胶速度3500 4500r/min的条件下旋转涂敷20s后在 温度为40 80。C条件下烘干，得薄膜D;八、将薄膜D放入快速热处理炉中 在温度为630 65(TC条件下焙烧8 15min，随炉冷却至室温，即得铌镁酸 铅-钛酸铅铁电薄膜。
上述制备薄膜各步骤中所涉及的旋涂、烘干的具体操作均为本领域的常 规技术，在此不再详细说明。
本实施方式中所使用的原材料均为市场所售。
本实施方式中所用的化学试剂均为分析纯。
本实施方式步骤五中乙酰丙酮的加入是充当稳定剂的作用。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤一中 x=0.32。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
一二的不同点是步骤一中 x=0.34。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
一至三的不同点是步骤一 中搅拌时间为20min。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
一至四的不同点是步骤一 中冰乙酸体积为2.0mL，乙二醇甲醚的体积为10.0mL。其它步骤及参数与具 体实施方式一至四相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至五的不同点是步骤三 中温度为70 卯"C。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
一至六的不同点是步骤三中温度为80。C。其它步骤及参数与具体实施方式
一至六相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七的不同点是步骤三
中搅拌时间为30min。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
九本实施方式与具体实施方式
一至八的不同点是步骤三 中冰乙酸体积为2.0mL，乙二醇甲醚的体积为10.0mL。其它步骤及参数与具
体实施方式一至八相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一至八的不同点是步骤三 中冰乙酸体积为2.2mL，乙二醇甲醚的体积为10.5mL。其它步骤及参数与具
体实施方式一至八相同。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
一至十的不同点是步骤 四中温度为IO(TC。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十相同。
具体实施方式
十二本实施方式与具体实施方式
一至十一的不同点是步 骤五中乙酰丙酮的加入量为0.9g 。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十一 相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
一至十二的不同点是步
骤五搅拌时间为30min。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十二相同。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
一、二或三的不同点是
步骤六中基片为Pt/Ti/Si02/Si基片。其它步骤及参数与具体实施方式
一、二 或三相同。
具体实施方式
十五本实施方式与具体实施方式
一至十四的不同点是步
骤六中超声处理时间为5min。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十四相 同。
具体实施方式
十六本实施方式与具体实施方式
十四的不同点是步骤七
中在匀胶速度1200 1800r/min的条件下旋转涂敷10s。其它步骤及参数与具 体实施方式十四相同。
具体实施方式
十七本实施方式与具体实施方式
十四的不同点是步骤七 中在匀胶速度1500r/min的条件下旋转涂敷10s。其它步骤及参数与具体实施 方式十四相同。
具体实施方式
十八本实施方式与具体实施方式
一、二、三、十六或十七的不同点是步骤七中再以匀胶速度3800 4200r/min的条件下旋转涂敷 20s。其它步骤及参数与具体实施方式
一、二、三、十六或十七相同。
具体实施方式
十九本实施方式与具体实施方式
一、二、三、十六或十 七的不同点是步骤七中再以匀胶速度4000r/min的条件下旋转涂敷20s。其它 步骤及参数与具体实施方式
一、二、三、十六或十七相同。
具体实施方式
二十本实施方式与具体实施方式
十八或十九的不同点是 步骤七中在温度为50 7(TC条件下烘干。其它步骤及参数与具体实施方式
十 八或十九相同。
具体实施方式
二十一本实施方式与具体实施方式
十八或十九的不同点 是步骤七中在温度为6(TC条件下烘干。其它步骤及参数与具体实施方式
十八 或十九相同。
具体实施方式
二十二本实施方式与具体实施方式
一、二、三、十六、 十七、二十或二十一的不同点是步骤八中温度为640°C。其它步骤及参数与具体实施方式
一、二、三、十六、十七、二十或二十一相同。
具体实施方式
二十三本实施方式与具体实施方式
一、二、三、十六、
十七、二十或二十一的不同点是步骤八中温度为650°C。其它步骤及参数与具体实施方式
一、二、三、十六、十七、二十或二十一相同。
具体实施方式
二十四本实施方式与具体实施方式
二十二或二十三的不 同点是步骤八中焙烧时间为10 14min。其它步骤及参数与具体实施方式
二 十二或二十三相同。
具体实施方式
二十五本实施方式与具体实施方式
二十二或二十三的不 同点是步骤八中焙烧时间为12min。其它步骤及参数与具体实施方式
二十二 或二十三相同。
具体实施方式
二十六本实施方式制备铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的方法
按以下步骤实现 一、依照化学式(l-X)Pb(Mg^Nb2/3)-xPbTi03，按化学计量
比分别称取醋酸铅、乙酸镁、乙醇铌和钛酸四丁酯，其中x:0.32; 二、按以 下比例向3.5g醋酸铅中加入2.0 mL的冰乙酸和10.0 mL的乙二醇甲醚，然 后在室温条件下搅拌20min，得溶液A;三、按以下比例向0.4g的乙酸镁和 3.5g的乙醇铌混合物中加入2.0mL的冰乙酸和10.0 mL的乙二醇甲醚，然后在温度为80'C条件下加热回流搅拌30min，得溶液B;四、将0.9g钛酸四丁 酯加入到溶液B中，在温度为10(TC条件下加热回流搅拌30min，得溶液C; 五、将溶液A与溶液C混合后加入0.6g乙酰丙酮，然后在室温条件下搅拌 30min，得(l-x)Pb(Mg!,3Nb2/3)-xPbTi03溶胶；六、将基片依次在丙酮和无水 乙醇中超声处理5min，然后置于空气中自然干燥；七、在经步骤六处理后的 基片上滴加(l-x)Pb(Mg^Nb2,3)-xPbTi03溶胶，在匀胶速度1500r/min的条件 下旋转涂敷10s，再以匀胶速度3000r/min的条件下旋转涂敷20s后在温度为 6(TC条件下烘干，得薄膜D;八、将薄膜D放入快速热处理炉中在温度为640°C 条件下焙烧10min，随炉冷却至室温，即得铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜。
本实施方式得到的铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜由图1可看出PMN-PT的两 个主要衍射峰已经出现，合成的产物即为PMN-PT。
本实施方式制备的铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的二维AFM图如图2所示、 三维AFM图如图3所示、扫描电镜分析图如图4所示，通过图2、图3与图 4均可以看出铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜呈现表面光滑、内部均一的状态。
权利要求
1、一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法，其特征在于制备铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的方法按以下步骤实现一、依照化学式(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTiO3，按化学计量比分别称取醋酸铅、乙酸镁、乙醇铌和钛酸四丁酯，其中0.30＜x＜0.35；二、按以下比例向3.5g醋酸铅中加入1.8～2.5mL的冰乙酸和9.0～11.0mL的乙二醇甲醚，然后在室温条件下搅拌10～30min，得溶液A；三、按以下比例向0.4g的乙酸镁和3.5g的乙醇铌混合物中加入1.8～2.5mL的冰乙酸和9.0～11.0mL的乙二醇甲醚，然后在温度为60～100℃条件下加热回流搅拌20～60min，得溶液B；四、将0.9g钛酸四丁酯加入到溶液B中，在温度为80～120℃条件下加热回流搅拌20～60min，得溶液C；五、将溶液A与溶液C混合后加入0.5～1.0g乙酰丙酮，然后在室温条件下搅拌20～40min，得(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTiO3溶胶；六、将基片依次在丙酮和无水乙醇中超声处理4～6min，然后置于空气中自然干燥；七、在经步骤六处理后的基片上滴加(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTiO3溶胶，在匀胶速度1000～2000r/min的条件下旋转涂敷10s，再以匀胶速度3500～4500r/min的条件下旋转涂敷20s后在温度为40～80℃条件下烘干，得薄膜D；八、将薄膜D放入快速热处理炉中在温度为630～650℃条件下焙烧8～15min，随炉冷却至室温，即得铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜。
2、 根据权利要求1所述的一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法， 其特征在于步骤一中x=0.32。
3、 根据权利要求1所述的一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法， 其特征在于步骤一中x=0.34。
4、 根据权利要求1、 2或3所述的一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备 方法，其特征在于步骤六中基片为Pt/Ti/Si(VSi基片。
5、 根据权利要求4所述的一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法， 其特征在于步骤七中在匀胶速度1200 1800r/min的条件下旋转涂敷10s。
6、 根据权利要求l、 2、 3或5所述的一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的 制备方法，其特征在于步骤七中再以匀胶速度3800 4200r/min的条件下旋 转涂敷20s。
7、 根据权利要求6所述的一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法， 其特征在于步骤七中在温度为50 7(TC条件下烘干。
8、 根据权利要求l、 2、 3、 5或7所述的一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜 的制备方法，其特征在于步骤八中温度为64(TC。
9、 根据权利要求8所述的一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法， 其特征在于步骤八中焙烧时间为10 14min。
全文摘要
一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法，它涉及一种铁电薄膜的制备方法。它解决了现有方法制备出的铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜铁电性能差、电光学性能差、纯度低、致密度低及在制备过程中烧结温度高的问题。方法一、称取原材料；二、制溶液A；三、制溶液B；四、制溶液C；五、制(1-x)Pb(Mg<sub>1/3</sub>Nb<sub>2/3</sub>)-xPbTiO<sub>3</sub>溶胶；六、将基片预处理；七、利用匀胶机将溶胶涂覆到基片上，然后烘干制薄膜D；八、将薄膜D在快速热处理炉中焙烧，然后冷却至室温即得到PMN-PT铁电薄膜。本方法制备出来的铁电薄膜具有优异的铁电性能及电光学性能，高纯度、高密度和较低的晶化温度，本发明工艺简单、设备简单、制备周期短及所用原材料价格低廉、市场上即可购得、成本低。
文档编号C04B35/499GK101550027SQ20091007193
公开日2009年10月7日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者明 冯, 玉 周, 华 柯, 文 王 申请人:哈尔滨工业大学