铁酸镥陶瓷材料及其制备方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种铁酸镥陶瓷材料的制备方法，以Lu(NO3)3和Fe(NO3)3粉体为原料，以碳酸氢铵作为沉淀剂，按化学共沉淀法制得前躯体粉末，再经球磨、过筛、保温烧结后，得到所述铁酸镥陶瓷材料。本发明制备方法的工艺简单、制备得到的材料组分均匀、致密度高，适用于脉冲激光沉积和磁控溅射系统制备铁酸镥薄膜。本发明提供铁酸镥陶瓷材料在制备铁酸镥薄膜中的应用。
【专利说明】铁酸镥陶瓷材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明属微电子【技术领域】，具体涉及一种铁酸镥陶瓷材料及其制备方法和应用。【背景技术】
[0002]铁电材料的优秀电学性能孕育了它广阔的应用前景，其电子元件有着集成度高、能耗小、响应速度快等众多优点。而且目前研究者将铁电材料同其它技术相结合，使新诞生的集成铁电材料性能更为优秀。铁电薄膜因其在电子学和光学的应用而受到广泛的关注，特别是铁电薄膜存储器的研究是国内外研究的热点，一种高质量的铁电薄膜应具有化学计量比的组分，致密且晶化的结构，单晶或至少有一种择优取向的多晶结构和大面积的均匀性。
[0003]目前制备薄膜的方法有很多:脉冲激光沉积、磁控溅射、原子层外延、金属有机物气相外延、分子束外延等，其中溅射沉积成为制备优质薄膜最广泛的应用技术。然而对于溅射沉积，制备高质量的薄膜的关键原料陶瓷靶材占很大的生产成本。在靶材制备及工艺方面，低成本的常压烧结方式获得高致密度的陶瓷材料靶材成为发展趋势。高致密度是减少沉积过程中“黑点”的产生、提高成品率和薄膜质量的关键。
[0004]目前关于铁酸镥陶瓷的制备方法及特性研究很少。急待开发一种制备工艺简单且制备得到的材料组分均匀、致密度高，能够适用于脉冲激光沉积和磁控溅射系统制备铁酸镥薄膜的陶瓷材料。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种工艺简单，成本较低的制备铁酸镥陶瓷材料作为靶材用于脉冲激光沉积制备铁酸镥薄膜。
[0006]本发明提出一种铁酸镥陶瓷材料的制备方法，以Lu (NO3) JPFe (NO3) 3粉体为原料，以碳酸氢铵作为沉淀剂，按化学共沉淀法制得粉末，再经球磨、过筛、保温烧结后，得到目的产物铁酸镥陶瓷材料，包括以下步骤:
[0007](1)将所述原料加入所述沉淀剂溶液中，搅拌后空气中陈化，过滤后获得沉淀，经洗涤，烘干后得到沉淀饼块，在坩埚中将其碾碎成粉末；其中，原料中Lu(NO3)3和Fe(NO3)3粉体的摩尔用量比例为(0.95~1): (1~1.05)。较佳地，原料Lu (NO3) 3和Fe (NO3) 3粉体的摩尔用量比例为1:1。
[0008](2)将步骤(1)得到的粉末加入去离子水或者无水乙醇，在球磨罐中球磨，烘干后在马弗炉中进行预烧结。
[0009](3)将步骤(2)得到的粉体置于球磨罐中再次球磨，烘干后造粒之后过筛，加压成型，马弗炉中1200°C高温烧结，得到所述铁酸镥陶瓷材料。
[0010]其中，步骤(1)中得到的原料粉末是由化学共沉淀法制备所得到。
[0011]其中，所述步骤⑵中的球磨时间为5~12小时；球磨速度为350r/min。优选地，所述球磨时间为7小时。[0012]其中，所述步骤⑵中的预烧结温度为700~900°C，预烧结时间为2~3小时。优选地，所述预烧温度为800°C，预烧时间为2小时。
[0013]其中，所述加压成型为常压或等静压成型。
[0014]其中，所述高温烧结为常压烧结、热压烧结、或等离子体放电烧结。
[0015]本发明提供一种按本发明方法制备得到的铁酸镥陶瓷材料。所述铁酸镥陶瓷材料，经XRD测试得知其主相为LuFeO3,为类钙钛矿型结构，运用脉冲激光沉积法得到的薄膜，表面光滑，没有出现“黑点”的状况表明其致密度高。
[0016]本发明还提供一种铁酸镥陶瓷材料的应用，其中，将所述铁酸镥陶瓷材料作为靶材在通过脉冲激光沉积直接制备铁酸镥薄膜中的应用。
[0017]本发明还提供一种铁电酸镥薄膜的制备方法，先按本发明公开的铁酸镥陶瓷材料制备方法，依次进行步骤(1)、(2)、(3)得到铁酸镥陶瓷材料，进一步地，将所述铁酸镥陶瓷材料通过脉冲激光沉积一步直接制备得到所述铁酸镥薄膜(LuFeO3薄膜)。其中，运用脉冲激光沉积方法，在镍酸镧衬底上沉积LuFeO3薄膜，用一定能量的脉冲激光，在氧气的气氛下，激光打在靶材上产生羽辉，然后沉积在加热后的衬底上，从而形成铁酸镥薄膜。
[0018]本发明有益效果包括，制备工艺简单、能耗低、制备得到的粉体颗粒细小、分布均匀；制备得到的产物铁酸镥陶 瓷靶材的组分均匀、致密度高，非常适于用作脉冲激光沉积和磁控溅射系统制备铁酸镥薄膜所需要的材料。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为依本发明铁酸镥陶瓷材料制备方法得到的铁酸镥陶瓷材料(LuFe03陶瓷材料)表面形貌SEM图，图谱表明陶瓷材料颗粒细小分布均匀，致密度高。
[0020]图2为按本发明铁酸镥陶瓷材料制备方法得到的铁酸镥陶瓷材料(LuFeO陶瓷材料)的XRD物相分析图谱，图谱表明LuFeO3靶材主晶相为LuFe03。
[0021]图3为按本发明铁电酸镥薄膜制备方法得到的LuFeO3薄膜的XRD物相分析图谱；图谱表明利用本发明LuFeO3陶瓷材料作为靶材可沉积高质量LuFeO3薄膜。
【具体实施方式】
[0022]结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的保护内容不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。实施本发明的过程、条件、试剂、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
[0023]制备铁酸镥陶瓷材料(LuFeO陶瓷材料)，先采用化学共沉淀法制备所需要的粉体，再经高温烧结得到陶瓷材料，包括如下步骤:
[0024]步骤⑴:按化学通 式LuFeO3中Lu、Fe的化学计量比，按照摩尔比1:1称取原料Lu(NO3)3和Fe(NO3)3粉体。以碳酸氢铵作为沉淀剂。将粉体加入沉淀剂溶液中，同时不断搅拌，之后放在空气中陈化24小时，然后过滤出所需的沉淀，依次用去离子水，无水乙醇洗涤，最后将获得的沉淀放置在烘箱中干燥48小时，烘干后的沉淀饼块在高纯氧化铝坩埚中碾碎成粉末。原料Lu(NO3)3和Fe(NO3)3粉体的摩尔用量比例还可以是0.95: 1、或I: 1.05，均能获得相同的实验结果。
[0025]步骤(2):将步骤(1)获得的原料粉末加入去离子水或者无水乙醇后放入球磨罐中以350r/min的速度球磨，然后放入烘箱内烘干，将烘干的粉末放在马弗炉中预烧，之后将预烧后的材料再在坩埚中碾碎成粉体。
[0026]步骤(3):将按照步骤(2)的工艺将粉体再次放入球磨罐球磨，烘干后造粒之后过筛，最后加压成型，放入马弗炉，在1000~1200°C保温烧结2~4小时得到产物铁酸镥陶瓷材料。
[0027]实施例1铁酸镥陶瓷材料的制备
[0028]以Lu (NO3) 3和Fe (NO3) 3粉末为原料，按摩尔比1:1进行配料并进行共沉淀反应，再经过混合、洗涤、烘干和研磨得到LuFeO3前驱粉体。为了使粉体更加均匀，再加入去离子水或者无水乙醇做球磨介质，利用行星式球磨机，以350r/min的转速混合球磨7小时。烘干球磨后的粉体，然后放进马弗炉中预烧，以3度/分的升温速度升至800度，保温2小时，然后自然冷却至室温。将反应后的粉料二次球磨7小时，烘干备用。将经过高温合成和二次球磨后的粉料置入钢模具中，进行轴向加压成型，制得素坯。最后将压制成型的素坯再次放入马弗炉，以2度/分速率升至1200°C，并保温2小时，然后自然冷却降温至室温，开炉取样，即得到产物铁酸镥陶瓷材料，其表面形貌SEM图，如图1所示，图谱表明陶瓷材料颗粒细小分布均匀，致密度高。产物铁酸镥陶 瓷材料的XRD物相分析图谱，如图2所示，图谱表明LuFeO3祀材主晶相为LuFeO3。
[0029]实施例2铁酸镥薄膜(LuFeO3薄膜)的制备
[0030]利用实施例1制备的陶瓷材料作为靶材，采用脉冲激光沉积技术，在镍酸镧衬底上沉积LuFeO3薄膜，工作气压为氧气0.2Pa，脉冲激光能量为400mJ，频率为5Hz，沉积时间30分钟，衬底需经过加热升温。利用脉冲激光沉积技术在镍酸镧衬底上沉积，并在氧气气氛中700°C保温I小时后得到的LuFeO3薄膜，该LuFeO3薄膜的XRD物相分析图谱如图3所示，表明利用前述LuFeO3陶瓷材料作为靶材可沉积高质量LuFeO3薄膜。
【权利要求】
1.一种铁酸镥陶瓷材料的制备方法，其特征在于，以Lu (NO3) 3和Fe (NO3) 3粉体为原料，以碳酸氢铵作为沉淀剂，按化学共沉淀法制得前躯体粉末，再经球磨、过筛、保温烧结后，得到所述铁酸镥陶瓷材料；包括以下步骤: (1)将所述原料加入所述沉淀剂溶液中，搅拌后空气中陈化，过滤后获得沉淀，经洗涤，烘干后得到沉淀饼块，在坩埚中将其碾碎成粉末；其中，原料中Lu (NO3) 3和Fe (NO3) 3粉体的摩尔用量比例为(0.95~I): (I~1.05)。 (2)将步骤(1)得到的粉末加入去离子水或者无水乙醇，在球磨罐中球磨，烘干后在马弗炉中进行预烧结； (3)将步骤(2)得到的粉体置于球磨罐中再次球磨混匀，烘干后造粒然后过筛，加压成型，在马弗炉中以1200°C高温烧结，得到所述铁酸镥陶瓷材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的球磨时间为5~12小时；球磨速度为350r/min。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的预烧结温度为700~900°C，预烧结时间为2~3小时。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加压成型为常压或等静压成型。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温烧结为常压烧结、热压烧结、或等离子体放电烧结。
6.一种按权利要求1-5任一项所述方法制备得到的铁酸镥陶瓷材料，其特征在于，所述铁酸镥陶瓷材料经XRD测试得知其主相为LuFeO3,为类钙钛矿型结构，运用脉冲激光沉积法得到的薄膜，表面光滑，没有出现黑点的状况表明其致密度高。
7.如权利要求6所述铁酸镥陶瓷材料的应用，其特征在于，所述铁酸镥陶瓷材料作为靶材应用于脉冲激光沉积法制备铁酸镥薄膜。
8.一种铁酸镥薄膜的制备方法，其特征在于，先按权利要求1所述依次进行步骤(1)、(2)、(3)得到铁酸镥陶瓷材料，然后，将所述铁酸镥陶瓷材料作为靶材通过脉冲激光沉积可一步直接制备得到所述LuFeO3薄膜。
9.如权利要求8所述的铁酸镥薄膜的制备方法，其特征在于，运用脉冲激光沉积方法，在镍酸镧衬底上沉积LuFeO3薄膜，用脉冲激光，在氧气的气氛下，激光打在靶材上产生羽辉，然后沉积在加热后的衬 底上，从而形成铁酸镥薄膜。
【文档编号】C23C14/28GK103664171SQ201310578681
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】朱丽萍, 曹辉义, 孟宪宽, 吴刚, 杨平雄, 褚君浩 申请人:华东师范大学