一种磁控溅射用BNT靶材及利用热压法制备BNT靶材的方法

本发明涉及压电材料制备，尤其涉及一种磁控溅射用bnt靶材及利用热压法制备bnt靶材的方法。

背景技术：

1、压电材料作为一种功能材料，在机械能和电能的转换中起着重要的作用，尤其是薄膜压电材料具有能量转换效率高，适于微型化，与半导体集成电路工艺兼容等优点成为微传感器中广泛采用的材料。其中，铅基薄膜是一种优良的铁电薄膜材料，压电性能优异，已广泛地应用于电子、光、热、声学等领域。但是，铅的化合物及其蒸汽损害人体健康，污染环境，为此科学家们正在探索对环境友好，且对人体无害的新型无铅材料。不过，目前的无铅材料在性能上还有些欠缺，暂时无法完全取代传统铅基材料，因此对无铅压电材料的研究具有十分重要的意义。

2、钛酸铋钠(bi0.5na0.5)tio3(简称bnt)是a位复合离子钙钛矿型铁电体，室温时属三角晶系，居里温度为320℃。bnt具有铁电性强、压电性能佳、声学性能好等优良特征，目前受到广泛研究，被认为是最有可能取代传统铅基材料的无铅压电材料，因而极具吸引力。bnt薄膜的制备对于提升无铅压电材料的性能十分重要。纯相、高致密度、结晶良好的陶瓷靶材是利用脉冲激光沉积、磁控溅射等物理方法制备(bi0.5na0.5)tio3薄膜的前提。但是，目前多采用常压烧结方法制备(bi0.5na0.5)tio3靶材，所得到的大尺寸靶材收缩率大，普遍集中在20％，对靶材尺寸的精准控制仍然是个问题。另外，靶材的致密度普遍不高(约90％)，低致密度意味着内部存在很多空洞和气孔，在溅射过程中不仅影响溅射气氛，微小孔洞处还容易产生应力集中，影响靶材使用寿命甚至直接开裂。而且常规固相反应法制备过程中过高的烧结温度(1000℃以上)也会造成靶材中bi、na元素的严重挥发，无法精确调控靶材成分。

3、专利申请cn201510464761.7公开了一种磁控溅射用bnt靶材的制备方法，以bi2o3、na2co3和tio2为原料，按bnt靶材的分子式bi0.5na0.5tio3进行配料；先经一次球磨，于700～900℃预烧，再向原料中外加0.5～1wt％的塑化剂pva，进行二次球磨；经烘干、过筛后，压制成型为陶瓷生坯，再经排胶后于950～1100℃烧结，制成bnt靶材，烧结前/后靶材的直径为100mm/76mm，收缩率为24％，体密度为5.59g/cm3。该发明采用固相法制备，靶材收缩率大、靶材的致密度普遍不高、容易产生应力集中的问题依然较为突出。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种磁控溅射用bnt靶材及利用热压法制备bnt靶材的方法，采用热压烧结技术(hot-press sintering，简称hp)，通过在烧结过程中施加一定压力，加速粉末颗粒的接触、扩散和流动等传质过程，并将烧结温度较为稳定的保持在一个较低的温度(800～900℃)，有效控制bi0.5na0.5tio3靶材中易挥发成分(bi元素)的组分变化，同时缩短烧结时间，节省靶材制备工艺的时间成本；易于获得气孔率低、致密度达99％以上的bi0.5na0.5tio3靶材；另外，通过特殊的成型机制，hp制备靶材的收缩率为0％，实现了大尺寸靶材尺寸的精确控制，具有制备工艺简单，制备的大尺寸钛酸铋钠陶瓷靶材致密无开裂的优点。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种磁控溅射用bnt靶材，分子式为bi(0.45～0.55)na(0.45～0.55)tio3,以bi2o3、na2co3和tio2为原料，各原料的摩尔质量比为：

4、bi2o3:na2co3:tio2＝(104.841～128.139):(23.847～

5、29.147):79.87。

6、一种利用热压法制备磁控溅射用bnt靶材的方法，具体包括以下步骤：

7、步骤1.按照原料成分化学式的摩尔质量比bi2o3:na2co3:tio2＝(104.841～128.139):(23.847～29.147):79.87，取原料并将原料进行均匀混合得到混合后粉料；

8、步骤2.将步骤1混合后的粉料置于球磨罐中，加入无水乙醇和磨球，粉料：无水乙醇：磨球的质量比为1：(5～10)：

9、(5～10)，球磨8～12小时并烘干得到原料粉料；

10、步骤3.将步骤2得到的烘干粉料，放入马弗炉中进行预烧，预烧温度为800～900℃，保温时间为5～7小时，形成bnt主晶相；

11、步骤4.将步骤3预烧后的粉料进行研磨，研磨10～60分钟，过60～120目筛，取粒径小于0.150mm的粉料作为热压粉料；

12、步骤5.将步骤4过筛后的粉料放入组装好的预压模具中，在0.8～1.2t的压力下预压紧实，得到预压后的块体；

13、步骤6.将步骤5得到的块体在真空环境中进行加压烧结，烧结温度为700～1000℃，保压压强为15～30mpa，保压烧结时间为1～3个小时；

14、步骤7.将步骤6加压烧结后的块体退压至压力为零后继续烧结，烧结温度为700～1000℃，保温时间为1～2个小时，获得的半成品靶材；

15、步骤8.将步骤7获得的半成品靶材进行退火处理，处理氛围为含氧氛围，退火温度800～900℃，退火时间5～8个小时；

16、步骤9.将步骤8退火后所得到的半成品靶材；表面进行机械研磨，去除表面渗碳层后，采用自动抛光机进行抛光；抛光后的靶材用丙酮进行擦拭，去除表面有机物，然后放入酒精中进行超声清洗，去除杂质；最后在80～120℃下烘干2～6h完成超声清洗处理；

17、步骤10.将步骤9处理后的半成品靶材与靶材背板利用导电胶连接在一起，完成bnt靶材制备。

18、步骤1中所述的原料纯度99％以上。

19、步骤2中所述的磨球采用6mm和10mm直径磨球，按质量比1：1且上下误差不超过20％混合。

20、步骤9中所述的机械研磨采用自动磨抛机用700-900目砂纸研磨平整，抛光采用自动磨抛机用1100-1300目砂纸抛光。

21、步骤9中所述的超声清洗超声频率为45-55khz，超声时间为20±10min。

22、步骤10中所述的导电胶含高温胶粉、高温胶及铜粉，且高温胶粉：高温胶：铜粉的质量比为(2～5)：(1～3)：(1～1.5)。

23、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

24、1、本发明为目前首次利用hp制备bnt靶材，在靶材的烧结过程中，采用了边加压边烧结的方式，当粉料处于热塑性状态时，有助于液相的流动和颗粒的接触扩散，同时有利于传质过程的进行，制备出的靶材致密度在95％以上，最高可达99.86％，高于传统方法(90～95％)。

25、2、本发明直接通过原料配比来控制靶材成分稳定，将预烧温度较为稳定的保持在一个较低的温度(800～900℃)，有效控制bi0.5na0.5tio3靶材中易挥发成分(bi元素)的组分变化，减少bi元素挥发，预烧之后bi元素固溶进靶材原料中，具有稳定性，做到bi元素挥发的可控即靶材成分的可控。

26、3、常规固相反应法采用的是先进行粉末成型，成型之后再进行烧结，而在高温烧结过程中由于发生了固相反应，相邻晶粒融合长大，导致靶材体积会收缩。本发明在模具中，通过对粉料施加单轴压力在烧结过程中成型，这种特殊的成型机制使得陶瓷成型时不会因为液相流动而产生收缩，热压烧结过程中采用边成型边烧结，模具尺寸限制了靶材尺寸的变化，因此最终得到的靶材尺寸即为模具尺寸，实现了对靶材尺寸的精确控制，实现了陶瓷靶材0％的收缩率。克服了常规方法无法精确控制靶材尺寸，靶材烧结过程中体积的变化不可控。

27、综上所述，本发明采用热压烧结技术(hot-press sintering，简称hp)，通过在烧结过程中施加一定压力加速粉末颗粒的接触、扩散和流动等传质过程，通过将预烧温度较为稳定的保持在一个较低的温度(800～900℃)，有效控制(bi0.5na0.5)tio3靶材中易挥发成分(bi元素)的组分变化，同时缩短烧结时间，节省靶材制备工艺的时间成本。易于获得气孔率低、致密度达99％以上的(bi0.5na0.5)tio3靶材。另外，由于利用模具成型机制，hp制备靶材的收缩率控制为0％，实现了大尺寸靶材尺寸的精确控制。