一种并联结构的BST/MgO挠曲电复合薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种并联结构的BST/MgO挠曲电复合薄膜及其制备方法，通过溶胶–凝胶法制备，制备了BST溶胶pH值在3.5～4.3和MgO溶胶，使用匀胶机在Pt/Ti/SiO

BST/MgO flexural electric composite film with parallel structure and preparation method thereof

The invention discloses a BST/MgO flexural electric composite film with a parallel structure and a preparation method thereof. The BST sol is prepared by sol-gel process, and the pH value is between 3.5 to 4.3 and MgO sol, and the Pt/Ti/SiO is used in the machine

【技术实现步骤摘要】
一种并联结构的BST/MgO挠曲电复合薄膜及其制备方法
本专利技术涉及功能陶瓷薄膜领域，具体为一种新型并联结构的钛酸锶钡/氧化镁(BST/MgO)挠曲电复合薄膜制备的方法。
技术介绍
随着科技的进步，特别是电子产品快速迭代，许多的功能材料都在朝着轻薄化转变。电介质材料作为功能材料中重要分支也得到了发展，比如钛酸锶钡薄膜。电子元器件的集成度越高，相应的材料的介电性能越好，因此制备优良的介电性能的钛酸锶钡薄膜是目前的一个研究热点。实验研究表明一定情况下挠曲电性能与介电性能是正相关的，为了提高薄膜的介电性能，掺杂改性是目前研究最广泛的一个方向。但是这种方法提高的介电常数有限，掺杂的单层钛酸锶钡薄膜一般在300到500之间，超过500的鲜有报道。与此同时，钛酸锶钡薄膜挠曲电性能研究也是国内外学者最近研究的热门方向。近年来随着科技的发展，传感器材料朝着轻量化发展，特别是薄膜传感器。但是薄膜传感器由于自身尺寸较小、介电常数较小等方面原因，使得单层薄膜的挠曲电信号较弱，挠曲电性能较低，导致应用不够广泛。本申请专利技术人课题组前期通过溶胶-凝胶法制备了并联结构的BST/ZrO2挠曲电复合薄膜，研究表明，BST/ZrO2挠曲电复合薄膜能够一定程度上提高单层BST薄膜挠曲电性能较弱的问题，但是由于ZrO2薄膜与BST薄膜的热膨胀系数相差较大，会导致BST薄膜开裂，造成介电损耗变大，挠曲电性能提高相对不是十分的明显。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种并联结构的BST/MgO挠曲电复合薄膜及其制备方法，使得薄膜材料拥有较高的挠曲电性能，在微型传感器等领域有着广泛的应用前景，且设备简单、成本低廉、重复性好、后处理方便为了解决以上技术问题，本专利技术采用在同一基片上通过制备两个薄膜电容器并联来增强挠曲电信号，提高挠曲电性能的构想，选择与BST薄膜热膨胀系数更加接近的MgO薄膜作为非功能层。具体技术方案如下：步骤一，制备BST溶胶：将乙酸钡、乙酸锶、乙酸钇溶解于70℃的乙酸中，标记为A液；称取钛酸正四丁酯、乙酰丙酮溶解于乙二醇甲醚中，磁力搅拌30min后标为B液，将B液缓缓倒入到A液中，加入乙二醇，磁力搅拌2h后，加入乙酸调节pH值为3.5～4.3，获得所述的BST溶胶，其中乙酸钡、乙酸锶、钛酸正四丁酯、乙酰丙酮的摩尔比为0.65:0.35:1:2；乙酸钇的含量占整个BST溶胶的1mol％；乙酸、乙二醇的体积比为3:1；本专利技术所述并联结构的BST/MgO挠曲电复合薄膜的制备方法中，所述的BST溶胶的pH值为3.5～4.3，随着pH的降低，薄膜表面的颗粒团聚现象较多，当pH为3.5时薄膜出现了开裂。据研究表明：当溶胶中的H+变多时，醇盐的水解，缩聚的速率减小。因为钛酸正四丁酯的水解依赖于环境中的-OH基团来取代钛酸正四丁酯中的-OR基团，而pH在3.5～4.3之间缩聚反应与-OH浓度成正比关系，所以当pH值减小时，薄膜表面的大颗粒团聚现象增多，因此要求BST溶胶的pH值在所述的范围内。步骤二，制备MgO溶胶：将乙酸镁溶解于乙酸中得到澄清溶液，磁力搅拌30min后加入乙酰丙酮，使之与Mg2+形成环状Mg(CH3COO)2-xACx从而抑制Mg2+过度水解；再继续加入丙三醇磁力搅拌20min，利用丙三醇用来防止水解形成的Mg(OH)2-xACx过度聚合；进一步加入PVA溶液以调整粘度，且用以提高薄膜在热处理时的塑性，减少薄膜的开裂；最后再陈化24h得到MgO溶胶；所述乙酰丙酮、乙酸镁的摩尔比为2:1；丙三醇、乙酸的摩尔比为1:3；PVA溶液质量分数为5％；步骤三，制备BST薄膜：使用KW-4A型匀胶机在Si/SiO2/Ti/Pt基片上涂膜，转速为2500r/min，时间为10s；将旋涂好的薄膜在100℃下保温10分钟，随后在400℃热处理30min，重复上述步骤5～6次后，置于高温炉中在800℃下退火15min，得到BST薄膜A；步骤四，制备MgO薄膜：在所述步骤三中制得的BST薄膜上喷镀电极，然后在电极上旋涂MgO溶胶，转速为2000r/min，时间为20s，再在120℃下保温20min，350℃下热处理30min，重复以上步骤达到所需的MgO薄膜厚度，最后在800℃下退火15min，得到MgO薄膜；本专利技术所述并联结构的BST/MgO挠曲电复合薄膜的制备方法步骤四，具体的MgO薄膜的热处理过程是：1.室温～120℃，升温速率3℃/min，120℃保温20min，主要是去除BST溶胶自由水和结合水以及部分有机物的挥发。2.120℃～350℃，升温速率3℃/min，350℃保温0.5h，主要是有机物的挥发和热分解。3.350～800℃，升温速率3℃/min，800℃保温15min，主要是氧化镁晶体结构的形成，晶粒长大，薄膜表面致密化。步骤五，制备第二层BST薄膜：在上述步骤四中制得的MgO薄膜A上喷镀电极，然后在电极上旋涂溶胶，转速为2500r/min，时间为10s；将旋涂好的薄膜在100℃下保温10分钟，随后在400℃热处理30min，重复上述步骤5～6次后置于高温炉中在800℃下退火时间为5～60min后得MgO薄膜B；本专利技术所述并联结构的BST/MgO挠曲电复合薄膜的制备方法中，所述的并联结构的BST/MgO挠曲电复合薄膜在800℃下退火5～60min，如果保温时间过短，薄膜表面易出现微裂纹，此时薄膜中晶粒过小，晶粒表面的自由能过高使得晶粒之间空隙过小，易发生团聚，在应力的作用下导致薄膜开裂。如果保温时间过长，超过了60min，此时薄膜中晶粒长大，晶粒的表面自由能降低，晶粒空隙变大，薄膜的致密度下降与此同时薄膜表面的热应力更加的集中，薄膜易开裂，因此要求并联结构的BST/MgO挠曲电复合薄膜的保温时间在所述范围内。步骤六，制备并联结构的BST/MgO挠曲电复合薄膜：在所述步骤五中制得的BST薄膜B上喷镀电极，即得到并联结构的BST/MgO挠曲电复合薄膜。所述的步骤一中BST溶胶pH值为3.5～4.3。所述的MgO薄膜可以用其他的氧化物薄膜代替，所述的其他的氧化物薄膜满足下列条件：化学性质稳定，不与电极或者功能层薄膜发生反应；熔点要高，在一定温度下不与电极层互扩散；热膨胀系数与电极层和功能层的热膨胀系数相匹配。所述步骤四、步骤五、步骤六中涉及到的喷镀电极是用离子喷镀仪喷镀Au，也可以使用离子喷镀仪喷镀Pt；也可以用其他方法镀电极，包括离子溅射和丝网印刷。本专利技术的并联结构，对于两层并联、三层并联甚至更多层并联，均适用。所述其他的氧化物薄膜为ZrO2薄膜。本专利技术所述并联结构的BST/MgO挠曲电复合薄膜的制备方法步骤三，五，具体的BST薄膜的热处理过程是：1.室温～100℃，升温速率3℃/min，100℃保温10min，主要是去除BST溶胶自由水和结合水以及部分有机物的挥发。2.100℃～400℃，升温速率3℃/min，400℃保温30min，主要是有机物的挥发和热分解。3.400～800℃，升温速率3℃/min，800℃保温5～60min，主要是钙钛矿相的形成，晶粒长大，薄膜表面致密化。本专利技术的介电性能数据是由HP4294A阻抗分析仪测定；挠曲电性能用横向挠曲电系数来表征，采用悬臂梁法测定；等效压电常数是用测得的横向挠曲电系数计算得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种并联结构的BST/MgO挠曲电复合薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，制备BST溶胶：将乙酸钡、乙酸锶、乙酸钇溶解于70℃的乙酸中，标记为A液；称取钛酸正四丁酯、乙酰丙酮溶解于乙二醇甲醚中，磁力搅拌30min后标为B液，将B液缓缓倒入到A液中，加入乙二醇，磁力搅拌2h后，加入乙酸调节pH值为3.5～4.3，获得所述的BST溶胶，其中乙酸钡、乙酸锶、钛酸正四丁酯、乙酰丙酮的摩尔比为0.65:0.35:1:2；乙酸钇的含量占整个BST溶胶的1mol％；乙酸、乙二醇的体积比为3:1；步骤二，制备MgO溶胶：将乙酸镁溶解于乙酸中得到澄清溶液，磁力搅拌30min后加入乙酰丙酮，使之与Mg

【技术特征摘要】
1.一种并联结构的BST/MgO挠曲电复合薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，制备BST溶胶：将乙酸钡、乙酸锶、乙酸钇溶解于70℃的乙酸中，标记为A液；称取钛酸正四丁酯、乙酰丙酮溶解于乙二醇甲醚中，磁力搅拌30min后标为B液，将B液缓缓倒入到A液中，加入乙二醇，磁力搅拌2h后，加入乙酸调节pH值为3.5～4.3，获得所述的BST溶胶，其中乙酸钡、乙酸锶、钛酸正四丁酯、乙酰丙酮的摩尔比为0.65:0.35:1:2；乙酸钇的含量占整个BST溶胶的1mol％；乙酸、乙二醇的体积比为3:1；步骤二，制备MgO溶胶：将乙酸镁溶解于乙酸中得到澄清溶液，磁力搅拌30min后加入乙酰丙酮，使之与Mg2+形成环状Mg(CH3COO)2-xACx从而抑制Mg2+过度水解；再继续加入丙三醇磁力搅拌20min，利用丙三醇用来防止水解形成的Mg(OH)2-xACx过度聚合；进一步加入PVA溶液以调整粘度，且用以提高薄膜在热处理时的塑性，减少薄膜的开裂；最后再陈化24h得到MgO溶胶；所述乙酰丙酮、乙酸镁的摩尔比为2:1；丙三醇、乙酸的摩尔比为1:3；PVA溶液质量分数为5％；步骤三，制备BST薄膜：使用KW-4A型匀胶机在Si/SiO2/Ti/Pt基片上涂膜，转速为2500r/min，时间为10s；将旋涂好的薄膜在100℃下保温10分钟，随后在400℃热处理30min，重复上述步骤5～6次后，置于高温炉中在800℃下退火15min，得到BST薄膜A；步骤四，制备MgO薄膜：在所述步骤三中制得的BST薄膜上喷镀电极，然后在电极上旋涂MgO溶胶，转速为2000r/min，时间为20s，再在120℃下保温20min，350℃下热处理30min，重复以上步骤达到所需的MgO薄膜厚度，最后在800℃下退火1...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘军，姜楠，洪玮，骆英，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32