在金属钛基片衬底上生长钛酸锶钡薄膜的方法技术

本发明专利技术涉及一种在金属钛基片衬底上生长钛酸锶钡薄膜的方法，属铁电性能材料制备工艺方法技术领域。本发明专利技术方法的特点是在金属钛基片衬底上，通过引入镍酸镧缓冲层，即在金属钛和钛酸锶钡薄膜间引入镍酸镧中间缓冲层，且用溶胶－凝胶法在大气环境下生长介电性能良好的钛酸锶钡薄膜。本发明专利技术方去的主要步骤为：（１）钛基片的预处理；（２）镍酸镧溶胶和钛酸锶钡溶胶的制备；（３）旋转法甩胶成膜、（４）热处理，热处理温度范围为１００～７２０℃，于７００～７２０℃时为晶化温度，制得具有钙钛矿晶相结构的薄膜。本发明专利技术方法制得的Ｔｉ／ＬＮＯ／ＢＳＴ复合结构的材料具有优异的介电性能，可作为压控调谐微波器件中的元件应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，属铁电性能材料制备工艺方法

技术介绍
钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3，BST)属ABO3型钙钛矿结构铁电材料，它具有优异的介电性能介电常数调节方便、高的绝缘电阻、低的介电损耗、较高的电温度稳定性等。随着锶含量的变化，(BaxSr1-xTiO3，BST)的居里温度可以在很宽的温度范围(-233℃～120℃)内得到调节，兼有钛酸钡的高介电性和钛酸锶的高稳定性与低损耗性，便钛酸锶钡(BST)成为最有应用前景的铁电材料之一。它有望应用在新型压控调谐微波器件，如移相器、谐振器、可变实时延迟器、可调性滤波器及相控阵列天线等。目前，钛酸锶钡薄膜通常制备在贵金属电极上，如铂、银-钯、金等。为了抑制氧气位的生成，降低薄膜的损耗，钛酸锶钡薄膜需要在大气或氧化气氛中晶化。抗氧化的贵金属电极在此过程中能保持薄膜与贵金属界面的稳定有利于高质量钛锶钡薄膜的生长。然而，贵金属电极成本甚高，且较难与硅衬底集成的固有缺陷限制了它在大规模集成微波调谐器上的应用。近期美国Argonne国家实验室、Maryland大学、North Carolina州立大学等科研机构率先报导了在Cu、Ni和Al等活泼金属上采用CSD法成功制备高质量钛锶钡薄膜。这些金属成本低，延展性好，可应用在印刷电路和柔性调谐电子器件上，且与Si集成电路兼容，有利于器件的整合。然而，Cu、Ni和Al等金属化学性质活泼，在薄膜晶化过程中，易氧化或与薄膜相互反应，这会显著降低薄膜性能。国际上通常采用还原气氛或控制氧分压的方法在活泼金属上制备钛酸锶钡薄膜，但工艺上比较复杂，同时，在此条件下氧空位的增加和介电常数的控制始终是难以解决的矛盾。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述存在的一些问题，提出一种新方法，限在活泼金属钛衬底上，通过引入镍酸镧缓冲层，在大气环境下生长介电性能良好的钛酸锶钡膜的方法。本专利技术方法的特点是在金属钛和钛酸锶钡薄膜间引入镍酸镧缓冲层，且用溶胶-凝胶法在大气环境下将高质量的钛酸锶钡薄膜生长在钛衬底上。本专利技术一种，其特征在于具有以下的过程和步骤a.钛基片的预处理首先对钛基片进行机械抛光，得到平整光滑的表面，然后用去离子水、丙酮、无水乙醇依次进行超声振荡清洗，烘干后备用；b.溶胶的制备(1)镍酸镧(LNO)溶胶的制备采用硝酸镧和硝酸镍为起始原料，用去离子水和醋酸为溶剂，聚乙烯醇为螯合剂来制得镍酸镧(LNO)溶胶；称取一定重量的硝酸镍和硝酸镧，加入去离子水在90℃下搅拌2小时，随后将溶液降温至70℃，加入一定量的聚乙烯醇，搅拌1小时，最后降温至65℃，再加入一定量醋酸，搅拌24小时，最终得LaNiO3溶胶，备用；(2)钛酸锶钡(BST)溶胶的制备采用钛酸四丁酯、乙酸锶、乙酸钡为起始原料，用乙二醇甲醚、醋酸为溶剂来制得钛酸锶钡溶胶；称取一定量的钛酸甲丁酯，加入一定量的溶剂乙二醇甲醚，于80～90℃搅拌3小时；再称取一定量的乙酸锶和乙酸钡，将其溶解于醋酸中；将上述两种溶液混合后在60℃下搅拌1小时；随后再加入乙二醇甲醚，在常温下搅拌12小时，最终得Ba0.6Sr0.4TiO3溶胶；c.甩胶成膜及热处理(1)将清洗后的钛基片放于匀胶机上甩胶成膜；首先将上述的镍酸镧(LNO)前驱体溶胶滴加于钛基片上，在4000rpm转速下，甩胶时间25秒，甩胶成膜；然后将其放入光热炉内进行干燥及热处理；热处理温度范围为100～720℃；按此方式反复涂膜多次，直至所需厚度；此层镍酸镧(LNO)薄膜是中间缓冲层；(2)将上述沉积有镍酸镧(LNO)中间缓冲层的衬底基片上再沉积钛酸锶钡(BST)薄膜；将上述事先制备好的钛酸锶钡(BST)前驱体溶胶滴加在缓冲层镍酸镧(LNO)薄膜上，在匀胶机3000rpm转速下，甩胶40秒钟，得到钛酸锶钡薄膜；将该薄膜放于光热炉内进行干燥及热处理；热处理的温度范围为100～700℃；按此方式反复涂膜，直至所需厚度；最终得到在金属钛基片衬底上生长有钛酸锶钡薄膜的材料，其结构形式为Ti/LNO/BST。本专利技术方法制得的在钛基片上具有LNO缓冲层的BST薄膜，其晶相为随机取向的钙钛矿结构，BST薄膜的结晶良好，晶粒尺寸较大；LNO为准立方钙钛矿结构，属三方晶系，其晶格常数为0.384nm，与BST的0.396nm相近。LNO在300K时，电阻率为1～3×10-5Ω·cm，具有很好的热稳定性。实验证明，LNO能有效地缓解界面扩散和相互反应，能抑制TiO2第二相的生成。同时LNO缓冲层与BST层的结构和晶格常数相近，作为缓冲层能显著提高BST薄膜的结晶性，有利于高质量BST薄膜的生长。控制LNO的厚度和BST的晶化温度可以制备介电综合性能优良的BST薄膜。附图说明图1为本专利技术制得的具有LNO缓冲层的BST薄膜与无缓冲层的BST薄膜的XRD图。图2为本专利技术制得的具有LNO缓冲层的BST薄膜与无缓冲层的BST薄膜的介电偏置特性曲线图。具体实施例方式现将本专利技术的实施例具体叙述于后。实施例一本实施例的工艺过程和步骤如下所述(1)钛基片的预处理首先对10×10mm的钛基片进行机械抛光，得到平整光滑表面，然去离子水、丙酮、无水乙醇依次进行超声振荡清洗，烘干后备用。(2)溶胶的制备①镍酸镧(LNO)溶胶的制备称取1.7448克硝酸镍和2.2222克硝酸镧，加入5ml去离子水在90℃下搅拌2小时，随后将溶液降低至70℃，再加入0.2777克聚乙烯醇，搅拌1小时，最后降温至65℃，再加入15ml醋酸，搅拌24小时，最终得0.3mol/L的LaNiO3溶胶20ml，备用。②钛酸锶钡(BST)溶胶的制备称取钛酸四丁酯2.7778克，加入乙二醇甲醚5ml，于85℃搅拌3小时；再称取1.2383克乙醇锶和0.6716克乙酸钡，将其溶解于4.7ml醋酸中，将上述两种溶液混合均匀后，在60℃下搅拌1小时，随后再加入7.9ml乙二醇甲醚，在常温下搅拌12小时，最终得0.4mol/L的Ba0.6Sr0.4TiO3溶胶20ml，备用。(3)甩胶成膜及热处理①将清洗后的钛基片放于SC-1B型台式匀胶机上甩胶成膜；首先将上述的镍酸镧(LNO)前驱体溶胶滴加于钛基片上，在4000rpm转速下，甩胶时间25秒，甩胶成膜；然后将其放入KG-2-ZE型快速光热炉内进行干燥及热处理；热处理的升温制度为100℃下保温1.5分钟、250℃下保温1分钟、350℃下保温3分钟、550℃下保温2分钟，最后720℃下晶化8分钟；按此方式反复涂膜2次，在钛基片衬底上制得150nm厚的LNO薄膜，此层镍酸镧(LNO)薄膜为中间缓冲层。②将上述沉积有镍酸镧(LNO)中间缓冲层的衬底基片上再沉积钛酸锶钡(BST)薄膜；将上述事先制备好的钛酸锶钡(BST)前驱体溶胶滴加在缓冲层镍酸镧(LNO)薄膜上，在匀胶机3000rpm转速下，甩胶40秒钟，得到钛酸锶钡薄膜；将该薄膜放于光热炉内进行干燥及热处理；热处理的温度范围为100℃下保温1分钟、150℃下保温1分钟、350℃下保温5分钟、550℃下保温5分钟，最后在700℃下晶化15分钟；按此方式反复涂膜3次，得到500nm厚的BST薄膜；最终得到在金属钛基片衬底上生长有钛酸锶钡薄膜的材料，其结构形式为Ti/LNO/BST。本专利技术方法在金属钛基片上制得的薄膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在金属钛基片衬底上生长钛酸锶钡薄膜的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：ａ．钛基片的预处理：首先对钛基片进行机械抛光，得到平整光滑的表面，然后用去离子水、丙酮、无水乙醇依次进行超声振荡清洗，烘干后备用；ｂ．溶胶的制备：（１）镍酸镧（ＬＮＯ）溶胶的制备：采用硝酸镧和硝酸镍为起始原料，用去离子水和醋酸为溶剂，聚乙烯醇为螯合剂来制得镍酸镧（ＬＮＯ）溶胶；称取一定重量的硝酸镍和硝酸镧，加入去离子水在９０℃下搅拌２小时，随后将溶液降温至７０℃，加入一定量的聚乙烯醇，搅拌１小时，最后降温至６５℃，再加入一定量醋酸，搅拌２４小时，最终得ＬａＮｉＯ↓［３］溶胶，备用；（２）钛酸锶钡（ＢＳＴ）溶胶的制备：采用钛酸四丁酯、乙酸锶、乙酸钡为起始原料，用乙二醇甲醚、醋酸为溶剂来制得钛酸锶钡溶液；称取一定量的钛酸甲丁酯，加入一定量的溶剂乙二醇甲醚，于８０～９０℃搅拌３小时；再称取一定量的乙酸锶和乙酸钡，将其溶解于醋酸中；将上述两种溶液混合后在６０℃下搅拌１小时；随后再加入乙二醇甲醚，在常温下搅拌１２小时，最终得Ｂａ↓［０．６］Ｓｒ↓［０．４］ＴｉＯ↓［３］溶胶；ｃ．甩胶成膜及热处理：（１）将清洗后的钛基片放于匀胶机上甩胶成膜；首先将上述的镍酸镧（ＬＮＯ）前驱体溶胶滴加于钛基片上，在４０００ｒｐｍ转速下，甩胶时间２５秒，甩胶成膜；然后将其放入光热炉内进行干燥及热处理；热处理温度范围为１００～７２０℃；按此方式反复涂膜多次，直至所需厚度；此层镍酸镧（ＬＮＯ）薄膜是中间缓冲层；（２）将上述沉积有镍酸镧（ＬＮＯ）时间缓冲层的衬底基片上再沉积钛酸锶钡（ＢＳＴ）溶胶；将上述事先制备好的钛酸锶钡（ＢＳＴ）前驱体溶胶滴加在缓冲层镍酸镧（ＬＮＯ）薄膜上，在匀胶机３０００ｒｐｍ转速下，甩胶４０秒钟，得到钛酸锶钡薄膜；将该薄膜放于光热炉内进行干燥及热处理；热处理的温度范围为１００～７００℃，按此方式反复涂膜多直至所需厚度；最终得到在金属钛基片衬底上生长有钛酸锶钡薄膜的材料，其结构形式为Ｔｉ／ＬＮＯ／ＢＳＴ。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：程晋荣，朱伟诚，孟中岩，俞圣雯，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]