铁酸铋纳米单晶阵列及其制备方法和含有其的电子元件技术

本发明专利技术提出了铁酸铋纳米单晶阵列及其制备方法和含有其的电子元件，制备所述铁酸铋纳米单晶阵列的方法包括：(1)将五水合硝酸铋、九水合硝酸铁、乙二醇甲醚和柠檬酸进行混合，得到溶胶；(2)将所述溶胶滴在衬底上，进行甩胶，形成凝胶层，再对所述凝胶层进行热固化；(3)将步骤(2)所得形成有凝胶层的衬底进行烘干、热分解和退火处理，得到铁酸铋纳米单晶阵列。利用本发明专利技术的方法所获得的铁酸铋纳米单晶阵列面密度高、尺寸均匀、压电性能优异、纯度高，操作简便，易于实现精确的成分控制和定量掺杂；可制备大面积压电点阵；设备简单，用料省，成本低，易于实现工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
铁酸铋纳米单晶阵列及其制备方法和含有其的电子元件
本专利技术涉及材料领域。具体地，本专利技术涉及铁酸铋纳米单晶阵列及其制备方法和含有其的电子元件。
技术介绍
铁酸铋(BiFeO3，简称BFO)，属于多铁性(multiferroic)材料的一种，具有铁电性和反铁磁性，是当前多铁材料研究的热点之一。其铁电居里温度为830℃，反铁磁奈尔温度为370℃，因此在室温下具有多铁性，其具有广阔的应用前景。压电效应是由于应力T和应变S等机械量与电场强度E和电位移D(或极化强度P)等电学量之间的耦合效应造成的。具有压电效应的物体称为压电体。归功于上述机电耦合的性质，压电体在涉及促动器与传感器的多个领域具有十分广泛的应用。压电材料发生谐振时，特征尺寸越小，该尺寸方向上的谐振频率越高，尺寸在数十纳米和亚微米级别的压电材料在高频场合应用极具优势。尤其是零维压电阵列材料，因其具有更高的密度、更独立的响应单元、与更小的能量消耗受到广泛的关注。此外，压电点阵可以实现压电器件更有效的平面化和集成化，使压电材料与半导体材料紧密结合，以阵列形式存在的压电纳米单晶阵列在微机电系统(MEMS)中具有非常广泛的应用。例如在纳米压电存储器、纳米传感器、指纹识别、动态识别和光催化等领域。在特定衬底上可控制备出压电体阵列是设计和制备各种MEMS器件的前提。迄今为止，零维压电阵列材料的制备方法分为自上而下和自下而上两大类。两类方式均不可避免的直接或间接包含各类阵列模板组合原子层面沉积的方法，包括磁控溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积、原子层沉积和分子束外延等。上述制备方法具有尺寸可控与阵列规则的两大优点，但是从这些制备技术来看，均存在反应时间过长、沉积速率不高、需要高温高压、靶材利用率低下、靶材制备困难、难以精确控制材料成分和价格昂贵等问题，不能满足实际工业化生产中设备简单、价格低廉、组分易调控以及高合成效率等要求。因此，目前铁酸铋形成压电纳米单晶材料的方法仍有待研究。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决现有技术中存在的技术问题至少之一。为此，本专利技术提出了铁酸铋纳米单晶阵列及其制备方法和含有其的电子元件，该铁酸铋纳米单晶阵列面密度高、尺寸均匀、压电性能优异、纯度高；该制备方法操作简便，易于实现精确的成分控制和定量掺杂；可制备大面积压电点阵；设备简单，用料省，成本低，易于实现工业化生产。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种制备铁酸铋纳米单晶阵列的方法。根据本专利技术的实施例，所述方法包括：(1)将五水合硝酸铋、九水合硝酸铁、乙二醇甲醚和柠檬酸进行混合，得到溶胶；(2)将所述溶胶滴在衬底上，进行甩胶，形成凝胶层，再对所述凝胶层进行热固化；(3)将步骤(2)所得形成有凝胶层的衬底进行烘干、热分解和退火处理，得到铁酸铋纳米单晶阵列。以五水合硝酸铋、九水合硝酸铁作为原料，以柠檬酸作为化学螯合稳定剂，通过混合配置溶胶、甩胶和热处理(烘干、热分解和退火处理)，制成的铁酸铋纳米单晶阵列尺寸均匀、面密度高、纯度大、压电性能优异；操作简便，易于实现精确的成分控制和定量掺杂；可制备大面积压电点阵；设备简单，用料省，成本低，易于实现工业化生产。根据本专利技术的实施例，步骤(1)包括：将五水合硝酸铋、九水合硝酸铁依次加入乙二醇甲醚中，室温搅拌10～60分钟，得到第一混合液；将柠檬酸加入所述第一混合液中，室温搅拌2～6小时，得到第二混合液；将所述第二混合液于室温下静置陈化48～72小时，得到溶胶。专利技术人经过大量实验得到上述配置溶胶的条件，由此，可以形成澄清、均一稳定剂的溶胶，并使得最终形成的单晶性能较佳。若将乙二醇甲醚与柠檬酸的加入顺序置换，会导致初始原料不能溶解完全，得不到组分均匀的溶胶。若静置陈化时间过短，则溶液黏性不足，后续旋涂过程不能很好的附着于衬底，导致不能获得均匀的凝胶膜。需要说明的是，按照化学计量比，可对溶胶进行化学掺杂改性或者合理固溶。例如可对溶胶进行稀土元素(比如，Sm)的掺杂，在该情况下，只需按照化学计量比进行相应硝酸盐原料的依次加入，稀土硝酸原料的加入在五水合硝酸铋和九水合硝酸铁之后，在柠檬酸加入之前，其他步骤不受影响。根据本专利技术的实施例，所述甩胶的条件如下：在匀胶机上旋转衬底，先于200～800r/min旋转5s～20s，再于2000～8000r/min旋转20～40s。专利技术人经过大量实验得到上述较优甩胶条件，由此，所得单晶性能较佳。若转速过大或者旋转时间过长，则在光滑的凝胶膜表面额外产生径向的纹路，导致凝胶膜质量下降；若转速过小或者旋转时间过短，则会导致溶胶聚集，不能获得镜面光滑的凝胶膜。根据本专利技术的实施例，所述热固化是在100～200℃下进行10秒～2分钟。由此，将旋涂的凝胶膜快速烘干，防止热处理之前转移过程中由于凝胶膜内的水份或未挥发液体而导致膜损伤。根据本专利技术的实施例，所述衬底选自下列之一：(100)SrTiO3：0.05％～0.7％Nb；(110)SrTiO3：0.05％～0.7％Nb；(111)SrTiO3：0.05％～0.7％Nb。由此，所得单晶阵列性能较优。根据本专利技术的实施例，所述烘干处理是将所述形成有凝胶层的衬底以10～50℃/s的速度升温至120～300℃，保持30秒～2分钟。由此，进一步去除凝胶膜中的水份和易挥发液体。根据本专利技术的实施例，所述热分解处理是以10～50℃/s的速度升温至200～500℃，保持1～5分钟。由此，凝胶膜中的有机物完全挥发去除，只保留无定形态的无机物凝胶膜。若温度过高、升温速度过慢或时间过长，则有机物挥发殆尽之后，无定形态无机物可能会开始形核结晶，导致进一步退火之后不能获得单晶，而是获得多晶材料；若温度过低、升温速度过快或时间过短，则有机物去除不完全，在烧结过程中会形成大量的孔洞，导致制备的单晶质量下降。根据本专利技术的实施例，所述退火处理是将以10～50℃/s的速度升温至760～900℃，保持1～15分钟，再以0.5～3℃/s降温至200～400℃，之后随炉冷却至室温。退火过程中，无定形态的凝胶膜迅速成核结晶，并在晶核的成长过程中孤立开来，最终退火完成后得到单晶阵列，采用上述退火处理条件，所得单晶阵列的性能较优。若退火温度高于900℃或者时间长于15分钟，则单晶的质量受损。若退火温度低于760℃或者时间短于1分钟，旋涂的膜在热处理后会形成连续薄膜，无法形成单晶阵列。根据本专利技术的实施例，步骤(3)中，在进行热分解处理之后，将所述衬底上形成的薄膜进行激光打标，形成预定图案，再进行所述退火处理。根据本专利技术的实施例，所述激光打标条件如下：激光波长为355nm，电流为6～7A，速度为300～500mm/s，频率为50kHz，脉冲宽度为5～8μs。专利技术人经过大量实验得到上述较佳条件，由此，既不会破坏衬底，也可以在单晶阵列上形成预定图案。在本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种铁酸铋纳米单晶阵列。根据本专利技术的实施例，所述铁酸铋纳米单晶阵列的X射线粉末衍射图包含2θ角为22.34±0.48、45.56±0.52、71.02±0.49的衍射峰以及角(110晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备铁酸铋纳米单晶阵列的方法，其特征在于，包括：/n(1)将五水合硝酸铋、九水合硝酸铁、乙二醇甲醚和柠檬酸进行混合，得到溶胶；/n(2)将所述溶胶滴在衬底上，进行甩胶，形成凝胶层，再对所述凝胶层进行热固化；/n(3)将步骤(2)所得形成有凝胶层的衬底进行烘干、热分解和退火处理，得到铁酸铋纳米单晶阵列。/n

【技术特征摘要】
1.一种制备铁酸铋纳米单晶阵列的方法，其特征在于，包括：
(1)将五水合硝酸铋、九水合硝酸铁、乙二醇甲醚和柠檬酸进行混合，得到溶胶；
(2)将所述溶胶滴在衬底上，进行甩胶，形成凝胶层，再对所述凝胶层进行热固化；
(3)将步骤(2)所得形成有凝胶层的衬底进行烘干、热分解和退火处理，得到铁酸铋纳米单晶阵列。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)包括：
将五水合硝酸铋、九水合硝酸铁依次加入乙二醇甲醚中，室温搅拌10～60分钟，得到第一混合液；
将柠檬酸加入所述第一混合液中，室温搅拌2～6小时，得到第二混合液；
将所述第二混合液于室温下静置陈化48～72小时，得到溶胶。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述甩胶的条件如下：
在匀胶机上旋转衬底，先于200～800r/min旋转5s～20s，再于2000～8000r/min旋转20～40s；
任选地，所述热固化是在100～200℃下进行10秒～2分钟；
任选地，所述衬底选自下列之一：(100)SrTiO3：0.05％～0.7％Nb；(110)SrTiO3：0.05％～0.7％Nb；(111)SrTiO3：0.05％～0.7％Nb。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烘干处理是将所述形成有凝胶层的衬底以10～50℃/s的速度升温至120～300℃，保持30秒～2分钟；
任选地，所述热分解处理是以10～50℃/s的速度升温至200～500℃，保持1～5...

【专利技术属性】
技术研发人员：李静锋，刘丽莎，黄宇，舒亮，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11