以Si为基底c轴取向生长Bi4Ti2.95Co0.05O12多铁薄膜及其制备方法技术

以Si为基底c轴取向生长Bi4Ti2.95Co0.05O12多铁薄膜，包括以下组分：Bi(NO3)2·5H2O、Co(NO3)2·6H2O、钛酸丁酯、乙二醇甲醚、乙酰丙酮；制备方法的步骤为：以Bi4Ti2.95Co0.05O12溶胶为前驱体，在以c轴取向LaNiO3为缓冲层的Si基底上制备Bi4Ti2.95Co0.05O12凝胶薄膜，随后经干燥、热处理，制备具有c轴取向性的Bi4Ti2.95Co0.05O12多铁薄膜；具有优异的导电性、可取代铂和金等贵金属作为Bi4Ti2.95Co0.05O12薄膜电性能测试的底电极的特点。

Bi4Ti2.95Co0.05O12 multiferrous films grown on c-axis orientation of Si substrates and their preparation methods

【技术实现步骤摘要】
以Si为基底c轴取向生长Bi4Ti2.95Co0.05O12多铁薄膜及其制备方法
本专利技术属于薄膜制备和多铁材料
，具体涉及以Si为基底c轴取向生长Bi4Ti2.95Co0.05O12多铁薄膜，在Si基底上取向生长c轴取向Bi4Ti0.95Co0.05O12多铁薄膜。
技术介绍
钛酸铋(Bi4Ti3O12)是一种铋层状钙钛矿结构的无铅铁电材料，其具有较高的居里温度、低介电常数、高稳定性和高的磁晶各向异性及优异的耐疲劳性，被广泛应用于高温高频电子元器件、铁电存储器材料等领域。随着微电子领域逐渐向微型化和多功能化的发展，应用于存储器的铁电薄膜要求具有高的剩余极化强度、小的矫顽场和低的漏电流密度，而对于单纯的Bi4Ti3O12材料来讲，难以达到这些指标。离子掺杂是一种采用半径和化合价比较相近的离子来取代原有材料晶体结构中的部分离子，在不改变其原来晶体结构的前提下改善其相关性能的方法。目前，大量研究者对对铁电材料进行了磁性离子掺杂的研究，如以Fe3+、Mn3+和Cr3+掺杂BaTiO3和PbTiO4，不仅可以提升BaTiO3和PbTiO4材料的铁电性能，还可以诱导磁性有序化，使材料具有铁磁性。有研究表明对Bi4Ti3O12进行Nd3+、Sm3+和La3+等稀土离子掺杂可有效改善Bi4Ti3O12的漏导和铁电性能，但目前还没有发现对Bi4Ti3O12进行磁性Co2+掺杂使Bi4Ti3O12薄膜材料具有多铁性的相关文献和专利报道。为了更好的实现多铁薄膜材料的商业化，必须将其与以Si为基底的半导体集成工艺相结合。然而，Si基底和Bi4Ti3O12类材料间的晶格匹配度和热膨胀系数相差较大，导致Bi4Ti3O12类薄膜材料在Si基底上生长是非取向的，进而使其薄膜的性能并不十分理想。已有研究表明：通过在Si上沉积适当的缓冲层，通过缓冲层的种子诱导作用，有望实现Bi4Ti3O12类薄膜材料的取向生长。LaNiO3是一种具有优异导电性能的金属氧化物陶瓷材料，其晶格常数与Bi4Ti3O12类材料的晶格常数相近，而且通过溶胶凝胶和快速热处理相结合的工艺，可以在Si基底上实现LaNiO3的择优取向生长。本专利技术以c轴取向的LaNiO3缓冲的Si为基底，进一步沉积了Co2+掺杂的Bi4Ti3O12(Bi4Ti2.95Co0.05O12)薄膜，从而制备得到一种具有c轴择优取向的Co2+掺杂Bi4Ti3O12(Bi4Ti2.95Co0.05O12)薄膜。其不仅具有优异的漏导和铁电性能，还表现出弱的铁磁性能，是一种未见文献和专利报道的室温多铁薄膜材料，并在多铁功能器件领域展示出了广阔的应用前景。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供以Si为基底c轴取向生长Bi4Ti2.95Co0.05O12多铁薄膜及其制备方法，具有优异的导电性、可取代铂和金等贵金属作为Bi4Ti2.95Co0.05O12薄膜电性能测试的底电极的特点。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：以Si为基底c轴取向生长Bi4Ti2.95Co0.05O12多铁薄膜，按重量百分比，包括以下组分：Bi(NO3)2·5H2O7.63％-19.22％、Co(NO3)2·6H2O0.1％-0.26％、钛酸丁酯3.5％-8.88％、乙二醇甲醚80.4％-50.64％、乙酰丙酮8.3％-21％。以Si为基底c轴取向生长Bi4Ti2.95Co0.05O12多铁薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤1，以Bi4Ti2.95Co0.05O12溶胶为前驱体，采用浸渍提拉法在c轴取向LaNiO3缓冲的Si基底上制备Bi4Ti2.95Co0.05O12凝胶薄膜；步骤2，对步骤1制备的Bi4Ti2.95Co0.05O12凝胶薄膜进行干燥，得到干燥的Bi4Ti2.95Co0.05O12凝胶膜；步骤3，对步骤2制备的Bi4Ti2.95Co0.05O12干燥凝胶薄膜进行高温退火热处理，进而得到Bi4Ti2.95Co0.05O12的氧化物陶瓷薄膜。步骤1中，所述的Bi4Ti2.95Co0.05O12薄膜以单晶Si为基底，以c轴取向的LaNiO3作为缓冲层。步骤1中，LaNiO3还被作为Bi4Ti2.95Co0.05O12薄膜电性能测试的底电极材料。步骤1中，浸渍提拉法制备Bi4Ti2.95Co0.05O12凝胶膜的提拉速度为0.3～1.0mm/s；步骤2中，Bi4Ti2.95Co0.05O12凝胶膜的干燥温度为80～250℃，干燥时间为10～30min。步骤3中，在Bi4Ti2.95Co0.05O12凝胶膜的高温退火热处理过程中，升温速率为5℃/s～40℃/s，高温退火温度为550～750℃，保温结晶时间为10～60min。所述的Bi4Ti2.95Co0.05O12溶胶的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将Bi(NO3)2·5H2O和乙二醇甲醚按摩尔比为0.75～3:10混合，室温下搅拌10～30min至完全溶解，形成溶液A；将Co(NO3)2·6H2O和乙二醇甲醚按摩尔比为9.125×10-3～0.0365:10混合，室温下搅拌10～30min至完全溶解，形成溶液B；将钛酸丁酯、乙酰丙酮、乙二醇甲醚按摩尔比为0.538～2.154:10混合，室温下搅拌10～30min至完全溶解，形成溶液C；步骤2，将步骤1得到的溶液A、B、C混合搅拌1～6h至完全均匀，再经5～15h陈化，即可得到Bi4Ti2.95Co0.05O12溶胶。本专利技术的特点在于，所述的溶液A，为Bi(NO3)2·5H2O与乙二醇甲醚的摩尔比为0.75～3:10，搅拌时间为10～30min。所述的溶液B，Co(NO3)2·6H2O与乙二醇甲醚的摩尔比为9.125×10-3～0.0365:10，搅拌时间为10～30min。所述的溶液C，钛酸丁酯与乙二醇甲醚的摩尔比为0.538～2.154:10，钛酸丁酯与乙酰丙酮的体积比为1:1，搅拌时间为10～30min。所述的Bi4Ti2.95Co0.05O12溶胶中的各金属离子的摩尔比为Bi:Co:Ti＝4.10:0.05:2.95；钛酸丁酯为金属离子源，乙二醇甲醚为溶剂，乙酰丙酮为螯合剂。所述的Bi4Ti2.95Co0.05O12溶胶中总金属离子浓度为0.3～1.2mol/L。所述的A、B、C溶液的混合搅拌时间为1～6h，陈化时间为5～15h。本专利技术的有益效果是：本专利技术以Si基底、以LaNiO3为缓冲层，采用成本低廉、工艺简单的溶胶-凝胶法制备了Bi4Ti2.95Co0.05O12薄膜材料。由于LaNiO3缓冲层的种子诱导作用，Bi4Ti2.95Co0.05O12薄膜结构致密、具有高度的c轴取向，不仅展示出高的剩余极化强度、低的矫顽场和优异的漏导性能，而且表现出一定的铁磁性能，是一种性能优异的室温多铁新材料。具体体现如下：1)本专利技术采用溶胶凝胶法制备Bi4Ti2.95Co0.05O12薄膜，该方法具有无需昂贵设备、原料成本低廉、制备工艺简单的优点。2)本专利技术制备的Bi4Ti2.95Co0.05O12溶胶性质稳定、成膜性好，可用于大面积Bi4Ti2.95Co0.05O12薄膜的制备。3)本专利技术制备的Bi4Ti2.95Co0.05O12薄膜以Si为基底，可与半导体器件的加工工艺兼容并用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.以Si为基底c轴取向生长Bi4Ti2.95Co0.05O12多铁薄膜，其特征在于，按重量百分比，包括以下组分：Bi(NO3)2·5H2O7.63％‑19.22％、Co(NO3)2·6H2O0.1％‑0.26％、钛酸丁酯3.5％‑8.88％、乙二醇甲醚80.4％‑50.64％、乙酰丙酮8.3％‑21％。

【技术特征摘要】
1.以Si为基底c轴取向生长Bi4Ti2.95Co0.05O12多铁薄膜，其特征在于，按重量百分比，包括以下组分：Bi(NO3)2·5H2O7.63％-19.22％、Co(NO3)2·6H2O0.1％-0.26％、钛酸丁酯3.5％-8.88％、乙二醇甲醚80.4％-50.64％、乙酰丙酮8.3％-21％。2.以Si为基底c轴取向生长Bi4Ti2.95Co0.05O12多铁薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，以Bi4Ti2.95Co0.05O12溶胶为前驱体，采用浸渍提拉法在c轴取向LaNiO3缓冲的Si基底上制备Bi4Ti2.95Co0.05O12凝胶薄膜；步骤2，对步骤1制备的Bi4Ti2.95Co0.05O12凝胶薄膜进行干燥，得到干燥的Bi4Ti2.95Co0.05O12凝胶膜；步骤3，对步骤2制备的Bi4Ti2.95Co0.05O12干燥凝胶薄膜进行高温退火热处理，进而得到Bi4Ti2.95Co0.05O12的氧化物陶瓷薄膜。3.根据权利要求2所述的以Si为基底c轴取向生长Bi4Ti2.95Co0.05O12多铁薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的Bi4Ti2.95Co0.05O12薄膜以单晶Si为基底，以c轴取向的LaNiO3作为缓冲层；步骤1中，浸渍提拉法制备Bi4Ti2.95Co0.05O12凝胶膜的提拉速度为0.3～1.0mm/s。4.根据权利要求2所述的以Si为基底c轴取向生长Bi4Ti2.95Co0.05O12多铁薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2中，Bi4Ti2.95Co0.05O12凝胶膜的干燥温度为80～250℃，干燥时间为10～30min。5.根据权利要求2所述的以Si为基底c轴取向生长Bi4Ti2.95Co0.05O12多铁薄膜的制备方法，其特征在于，步骤3中，在Bi4Ti2.95Co0.05O12凝胶膜的高温退火热处理过程中，升温速率为5℃/s～40℃/s，高温退火温度为550～750℃，...

【专利技术属性】
技术研发人员：段宗范，梅云，赵园欣，赵高扬，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61