一种分子铁电高氯酸咪唑薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种分子铁电高氯酸咪唑薄膜的制备方法：(1)将咪唑和高氯酸溶液混合后进行蒸发，得到高氯酸咪唑晶粒；(2)将高氯酸咪唑晶粒与海藻酸钠溶解于去离子水中，搅拌形成溶液；(3)在衬底表面旋涂步骤(2)的溶液，通过后续退火工艺可制备得到分子铁电薄膜高氯酸咪唑ImClO4。本发明专利技术还提供了一种根据上述制备方法制备得到的分子铁电高氯酸咪唑薄膜及在在分子铁电器件上的应用。本发明专利技术提供的制备方法简单，制备得到的分子铁电高氯酸咪唑薄膜的取向主要为薄膜致密性和均匀性较好。薄膜致密性和均匀性较好。薄膜致密性和均匀性较好。

【技术实现步骤摘要】
一种分子铁电高氯酸咪唑薄膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及铁电薄膜
，特别涉及一种分子铁电高氯酸咪唑薄膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]铁电材料是一类具有自发极化，并且这种自发极化易受温度变化、电场变化和机械应力变化而调控的材料。由于中心对称性的破缺，铁电材料兼具了非常优异的介电、压电、热释电、电光性能，可以在数据存储、能量收集(电容元件等)、传感、集成光电器件等领域发挥重要的作用。自从1920年法国人Valasek在罗谢尔盐中发现铁电效应以来，以BaTiO3为代表的无机钙钛矿铁电材料逐渐占据了铁电研究中的主体地位。如公开号为CN110311040A的中国专利公开了一种钙钛矿型分子铁电材料，钙钛矿铁电材料为ABC3型，A为有机阳离子，B为金属阳离子，C为无机阴离子，通过调节C位中各种卤素及类卤素含量，从而实现钙钛矿型分子铁电光伏材料能带结构的有效调控。
[0003]分子铁电体是借助氢键、范德瓦尔斯力等较弱的分子间作用力构成的具有晶体结构和铁电性质的一类特殊材料。近些年来，分子铁电体材料其组分可调、容易通过分子设计和剪裁对其物理、化学性质进行调控，而且可以通过液相反应简单制备，合成成本较低，再加上其柔性、轻质的特点，受到广泛的关注与重视，并有望成为传统无机陶瓷铁电体的有益补充。例如，2017年东南大学熊仁根课题组(You Y M,Liao W Q,Zhao D,et al.An organic
‑
inorganic perovskite ferroelectric with large piezoelectric response[J].Science,2017,357(6348):306
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309.)报道了一种分子铁电体三甲基氯甲基铵三氯锰(II)[Me3NCH2ClMnCl3，(TMCM
‑
MnCl3)]，它具有优异的压电响应性能(d
33
＝185pC/N)，与BTO的压电系数(d
33
＝190pC/N)十分接近。其相变温度Tc也达到了406K，可在室温合成并且无毒性金属成分，这充分表明分子铁电家族具有广泛的应用前景。
[0004]然而，尽管分子铁电家族展现出了非常令人振奋的性能，但基于硅基衬底的分子铁电薄膜却鲜有报道。其原因主要在于硅衬底与铁电薄膜在晶格常数，结构和取向等的差异等因素，制备得到的铁电膜在均匀性，致密性，晶化完整度及薄膜的取向性等方面还未尽如人意。因此，在半导体工艺日趋成熟的当下，如何将分子铁电材料集成进硅基器件中成为研究的难点。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种分子铁电高氯酸咪唑薄膜的制备方法，制备方法简单，制备得到的分子铁电高氯酸咪唑薄膜的取向主要为薄膜致密性和均匀性较好。
[0006]实现本专利技术的技术方案为：
[0007]一种分子铁电高氯酸咪唑薄膜的制备方法，所述制备方法包括：
[0008](1)将咪唑和高氯酸溶液混合后进行蒸发，得到高氯酸咪唑晶粒；
[0009](2)将高氯酸咪唑晶粒与海藻酸钠溶解于去离子水中，搅拌形成溶液；
[0010](3)在衬底表面旋涂步骤(2)的溶液，通过后续退火工艺可制备得到分子铁电高氯酸咪唑薄膜(ImClO4)。
[0011]优选地，在步骤(1)中，所述蒸发的温度为25～80℃。由于反应物高氯酸溶液和咪唑均属于受高温易分解的物质，选取适宜的反应温度和反应速率对分子铁电高氯酸咪唑晶粒的产率是必要的。
[0012]在步骤(1)中，所述的咪唑和高氯酸的物质的量应是等摩尔的，比例可以为0.05mol:0.05mol，选取的高氯酸为70～72wt％的高氯酸溶液。
[0013]在步骤(2)中，所述海藻酸钠占海藻酸钠与高氯酸咪唑晶粒总质量的1
‑
10％。通过限定这两者的质量投料比，来控制溶液的粘性，有利于调控分子铁电材料在衬底界面处的同质成核和异质成核，提高薄膜的致密性和均匀性。
[0014]本专利技术提供的制备方法还包括在衬底表面旋涂步骤(2)的溶液前，对单晶衬底采用清洁(有机溶剂清洗、氮氧等离子体清洗)和干燥措施。
[0015]在步骤(3)中，采用匀胶机在衬底表面旋涂溶液，所述匀胶机的转速为3000～8000r/min。根据均胶机不同的转速，可以制备得到具有不同厚度的分子铁电高氯酸咪唑薄膜。
[0016]在步骤(3)中，所述退火工艺为：将分子铁电薄膜在烘箱中以65～100℃进行干燥，干燥时间≥30min，再以110～170℃进行退火，退火时间≥30min。优选地，将分子铁电薄膜在烘箱中以65
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100℃进行干燥1
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1.5h，再以120
‑
170℃进行退火1
‑
2h。
[0017]本专利技术通过限定上述退火工艺条件，可以在低温的温度区间内(65～100℃)使得分子铁电凝胶得到干燥，提高其结晶性，在较高的温度区间(110～170℃)可以降低薄膜内部残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向，并且消除部分薄膜内部组织缺陷；从而有利于提高薄膜的致密性和均匀性。
[0018]在步骤(3)中，所述的衬底为单晶硅、碳化硅单晶、Pt/Ti/SiO2/Si衬底、DyScO3单晶或SrTiO3单晶。
[0019]本专利技术的技术原理在于：通过海藻酸钠(SA)的加入，由于海藻酸钠水溶液中含有大量的
‑
COO
‑
，在水溶液中可表现出聚阴离子行为，能够有效调节前驱体的粘稠度，有利于薄膜的成核与结晶，从而有利于形成的晶面取向；后续通过溶胶凝胶退火的方式，利用匀胶机以不同的转速，可以在不同的单晶衬底(包括硅衬底)上成功制备出取向高度一致的分子铁电薄膜。
[0020]本专利技术还提供了一种根据上述制备方法制备得到的分子铁电高氯酸咪唑薄膜。
[0021]所述分子铁电高氯酸咪唑薄膜(ImClO4)的晶面取向主要为且通过在制备过程中调控退火工艺以及调控引入海藻酸钠的比例，使本专利技术制备得到的分子铁电高氯酸咪唑薄膜具有致密性、均匀性较好的优点。
[0022]本专利技术还提供了上述分子铁电高氯酸咪唑薄膜在分子铁电器件上的应用，如分子铁电薄膜硅基器件。
[0023]本专利技术相比于现有技术，具有如下优势：
[0024](1)本专利技术提供的制备方法操作简便、原料成本低廉、能源利用率高，具体体现在
工艺过程中只需要调控匀胶机的转速即可调整薄膜的厚度，可重复性高、制备周期短，并且制备过程投入的原料资源丰富、价格较低，同时工艺过程不涉及特殊设备，可用于科研探索。
[0025](2)本专利技术提供的制备方法有利于生态环境保护，传统的铁电材料以钛酸钡(BTO)、锆钛酸铅(PZT)为主，但是在制备这些传统铁电材料的过程中，引入了重金属元素，并且合成温度往往非常高，给传统铁电材料的制备、使用和维护提出了巨大的限制；而分子铁电材料可在室温合成并且本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分子铁电高氯酸咪唑薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：(1)将咪唑和高氯酸溶液混合后进行蒸发，得到高氯酸咪唑晶粒；(2)将高氯酸咪唑晶粒与海藻酸钠溶解于去离子水中，搅拌形成溶液；(3)在衬底表面旋涂步骤(2)的溶液，通过退火工艺制备得到分子铁电高氯酸咪唑薄膜。2.根据权利要求1所述的分子铁电高氯酸咪唑薄膜的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述蒸发的温度为25～80℃。3.根据权利要求1所述的分子铁电高氯酸咪唑薄膜的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述海藻酸钠占海藻酸钠与高氯酸咪唑晶粒总质量的1
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10％。4.根据权利要求1所述的分子铁电高氯酸咪唑薄膜的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，采用匀胶机在衬底表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑聪勤，洪子健，黄玉辉，吴勇军，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：