一種鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電子陶瓷的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的涉及一種鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜及其制備方法。該種鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜，包括以下原料：硝酸鐵、硝酸鉍、鈦酸四丁酯、醋酸鍶。該多鐵復(fù)合薄膜具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，大大降低了漏電流密度，增強(qiáng)了鐵電性能。
【專利說明】一種鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子陶瓷的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的涉及一種鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在一定溫度下同時(shí)具有鐵電性、鐵磁性和鐵彈性中兩種或者兩種以上性質(zhì)的材料被稱為多鐵性材料。該材料互補(bǔ)了純的(反_)鐵電或(反_)鐵磁材料的不足而同時(shí)呈現(xiàn)出電和磁的有序性。由于鐵電性和磁性的共存使得多鐵性材料具有磁電效應(yīng)，即它可以在電場誘導(dǎo)下產(chǎn)生磁場，同時(shí)磁場作用下產(chǎn)生電極化，基于多鐵材料這一特殊性質(zhì)，使其在磁存儲介質(zhì)、信息檢測等方面應(yīng)用前景極為廣泛。
[0003]鐵酸鉍(BiFeO3)是少數(shù)在室溫下同時(shí)具有鐵電性和反鐵磁性的多鐵材料，居里溫度為830°C，奈爾溫度為370°C，具有巨大的科研和應(yīng)用價(jià)值。
[0004]BiFeO3S在的主要問題之一是具有較大的漏電流。由于漏電流嚴(yán)重，施加在BiFeO3薄膜上的有效電場就會(huì)很小，導(dǎo)致鐵電疇無法翻轉(zhuǎn)，甚至在很低的電壓下材料就被擊穿，無法獲得飽和的極化因而無法顯示其優(yōu)良的鐵電性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對上述存在的缺陷而提供一種鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜及其制備方法，該多鐵復(fù)合薄膜具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，大大降低了漏電流密度，增強(qiáng)了鐵電性倉泛。
`[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜，包括以下原料:硝酸鐵、硝酸鉍、鈦酸四丁酯、醋酸鍶。
[0007]一種所述鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜的制備方法，包括以下步驟:
(1)配制鐵酸鉍的前驅(qū)體溶液:首先稱取硝酸鐵和硝酸鉍，然后依次加入乙酰丙酮和乙二醇；用磁力攪拌器充分?jǐn)嚢?小時(shí)直至溶解；最后加入冰醋酸調(diào)節(jié)pH值為0.3，攪拌24小時(shí)后得到透明、均勻、穩(wěn)定的紅色鐵酸鉍前驅(qū)體溶液；其中硝酸鐵與硝酸鉍的重量份比為
1: (I~2);硝酸鐵與乙酰丙酮的質(zhì)量體積比為0.3~0.4g/ml ;乙酰丙酮與乙二醇的體積比為1:1;
(2)配制鍶鉍鈦的前驅(qū)體溶液:a.首先將鈦酸四丁酯與乙酰丙酮按體積比1:1進(jìn)行混合，然后將混合后的溶液置于0°C的冰水中攪拌12h，得到澄清黃褐色透明的A溶液；b.首先稱取硝酸鉍和醋酸鍶；然后將稱取的硝酸鉍和醋酸鍶加入至溶劑乙二醇中，在磁力攪拌器上攪拌12h，得到澄清透明的B溶液，其中醋酸鍶與硝酸鉍的重量份比為1: (4~5)，醋酸鍶與乙二醇的質(zhì)量體積比為0.04~0.05g/ml ；c.將所制得的B溶液加入至A溶液中，混合后充分?jǐn)嚢?8h，得到淡黃色的鍶鉍鈦前驅(qū)體溶液；
(3)將鐵酸鉍前驅(qū)體溶液與鍶鉍鈦前驅(qū)體溶液按照體積比1:1混合，充分?jǐn)嚢?4小時(shí)，然后陳化24小時(shí)；(4)將陳化后的混合溶液在勻膠機(jī)上勻膠，選擇氧化銦錫為襯底，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂膜，控制轉(zhuǎn)速為2000r/min，時(shí)間為30s，制備得到模板晶粒膜；將得到的模板晶粒膜濕膜在熱板上進(jìn)行熱解，熱解溫度為180°C,熱解時(shí)間為Imin ；
(5)采用層層退火的工藝對涂膜后的氧化銦錫襯底進(jìn)行退火熱處理，每涂一層熱處理一次，每次熱處理分為熱分解階段和退火階段，熱分解溫度為300°C，熱解時(shí)間為120s，退火溫度為500°C，退火時(shí)間為180s。
[0008]所述步驟(1)中硝酸鐵和硝酸鉍為粉末狀。
[0009]所述步驟(1)所得鐵酸鉍前驅(qū)體溶液的濃度為0.3mol/L。
[0010]所述步驟(2)所得鍶鉍鈦前驅(qū)體溶液的濃度為0.lmol/L。
[0011]所述步驟(4)中所得模板晶粒膜單層膜的膜厚大于40nm小于50nm。
[0012]所述步驟(4)中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂膜7層。
[0013]所述步驟(5)中進(jìn)行退火熱處理7次
本發(fā)明的有益效果為:采用鐵酸鉍與鍶鉍鈦復(fù)合，制備出的鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜(Sr2Bi5FeTi5O21)，有效地改善了材料的穩(wěn)定性；另外由于Bi2O2層和金屬性較高的鍶元素的協(xié)同作用，顯著的降低了漏電流密度和改善了鐵電性能。由于采用勻膠機(jī)可以有效的控制薄膜的均勻性，采用了層層退火法顯著的降低了薄膜的制備溫度，這些都對實(shí)現(xiàn)與半導(dǎo)體工藝兼容有很高的現(xiàn)實(shí)意義。
[0014]為了降低BiFeO3的漏電流，用的鍶鉍鈦(Sr2Bi4Ti5O18)與BiFeO3復(fù)合制備一種新的多鐵材料Sr2Bi5FeTi5O2115 Sr2Bi4Ti5O18與BiFeO3具有相同的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，Sr2Bi4Ti5O18由Bi2O2層和TiO6八面體組成，而Bi2O 2層可以容納一部分氧空位，另外還可以阻止自由電荷的躍遷，因此可以很大程度上降低漏電流密度；由于鍶是金屬性強(qiáng)的元素，鍶的加入可以使BiFeO3的漏電流密度大幅降低。因此由二者的協(xié)同作用可以制備出具有較低漏電流密度，較好鐵磁性的一種新的多鐵材料，將會(huì)有更大的實(shí)用價(jià)值。
[0015]通過復(fù)合這兩種化合物形成鐵酸秘-銀秘鈦多鐵復(fù)合薄膜Sr2Bi5FeTi5O21,采用有機(jī)金屬熱沉積的方法和層層退火工藝，使其性能得到大大提高。
[0016]在進(jìn)行測試材料鐵電性能時(shí)，電滯回線是鐵電性能特有的曲線，矩形度越好，說明鐵電性越好，漏電越小。通過圖2、圖3、圖4電滯回線的對比可知，圖4的曲線矩形度最好，說明鐵電性較好，漏電越小。由此可知，本發(fā)明的鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，大大降低了漏電流密度，增強(qiáng)了鐵電性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)曲線(XRD曲線)；
圖2為鐵酸鉍薄膜的電滯回線；
圖3為鍶鉍鈦薄膜的電滯回線；
圖4為本發(fā)明鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜的電滯回線。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0019]所述鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜，包括以下原料:硝酸鐵、硝酸鉍、鈦酸四丁酯、醋酸鍶。
[0020]該鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜的制備方法，包括以下步驟:
(O配制鐵酸鉍的前驅(qū)體溶液:首先稱取粉末狀硝酸鐵3.6727g和硝酸鉍4.8753g，然后先加入IOml乙酰丙酮作為螯合劑，再加入IOml乙二醇作為溶劑；用磁力攪拌器充分?jǐn)嚢?小時(shí)直至溶解；最后加入IOml冰醋酸調(diào)節(jié)pH值為0.3，攪拌24小時(shí)后得到透明、均勻、穩(wěn)定的紅色鐵酸鉍前驅(qū)體溶液，該鐵酸鉍前驅(qū)體溶液的濃度為0.3 mol/L ；
(2)配制鍶鉍鈦的前驅(qū)體溶液:a.首先將鈦酸四丁酯與乙酰丙酮按體積比1:1進(jìn)行混合，然后將混合后的溶液置于0°C的冰水中攪拌12h，得到澄清黃褐色透明的A溶液；b.首先稱取硝酸鉍12.4148g和醋酸鍶2.4978g ;然后將稱取的硝酸鉍和醋酸鍶加入至52ml溶劑乙二醇中，在磁力攪拌器上攪拌12h，得到澄清透明的B溶液；c.將所制得的B溶液加入至A溶液中，混合后充分?jǐn)嚢?8h，得到淡黃色的鍶鉍鈦前驅(qū)體溶液，該鍶鉍鈦前驅(qū)體溶液濃度為0.1 mol/L ；
(3)將鐵酸鉍前驅(qū)體溶液與鍶鉍鈦前驅(qū)體溶液按照體積比1:1混合，充分?jǐn)嚢?4小時(shí)，然后陳化24小時(shí)；
(4)將陳化后的混合溶液在勻膠機(jī)上勻膠，選擇ITO/glass(氧化銦錫)為襯底，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂膜，控制轉(zhuǎn)速為2000r/min，時(shí)間為30s，制備得到模板晶粒膜，使得模板晶粒膜濕膜單層膜的膜厚大于40nm小于50nm ;將得到的模板晶粒膜濕膜在熱板上進(jìn)行熱解，熱解溫度為180°C，熱解時(shí)間為Imin ;其中ITO/glass襯底為市售，銷售單位:武漢格奧科教儀器有限公司，ITO/glass尺寸規(guī)格為:10 X 10 X 2.0_，面電阻為15歐。
[0021](5)采用層層退火的工藝對涂膜后的ITO/glass襯底(氧化銦錫)進(jìn)行退火熱處理，每涂一層熱處理一次，每次熱處理分為熱分解階段和退火階段，熱分解溫度為300°C，熱解時(shí)間為120s，退火溫度為500°`C，退火時(shí)間為180s。重復(fù)旋轉(zhuǎn)涂膜直到7層，并熱處理7次。
[0022]采用實(shí)施例所制備的鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)曲線(XRD曲線)如圖1所示，由圖1可知主晶相均已經(jīng)形成，其中BFO是鐵酸鉍、SBT是鍶鉍鈦、SBT-BFO是鐵酸秘-銀秘鈦。
【權(quán)利要求】
1.一種鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜，其特征在于，包括以下原料:硝酸鐵、硝酸鉍、鈦酸四丁酯、醋酸鍶。
2.—種權(quán)利要求1所述鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜的制備方法，包括以下步驟: (1)配制鐵酸鉍的前驅(qū)體溶液:首先稱取硝酸鐵和硝酸鉍，然后依次加入乙酰丙酮和乙二醇；用磁力攪拌器充分?jǐn)嚢?小時(shí)直至溶解；最后加入冰醋酸調(diào)節(jié)pH值為0.3，攪拌24小時(shí)后得到透明、均勻、穩(wěn)定的紅色鐵酸鉍前驅(qū)體溶液；其中硝酸鐵與硝酸鉍的重量份比為1: (I~2);硝酸鐵與乙酰丙酮的質(zhì)量體積比為0.3~0.4g/ml ;乙酰丙酮與乙二醇的體積比為1:1; (2)配制鍶鉍鈦的前驅(qū)體溶液:a.首先將鈦酸四丁酯與乙酰丙酮按體積比1:1進(jìn)行混合，然后將混合后的溶液置于0°C的冰水中攪拌12h，得到澄清黃褐色透明的A溶液；b.首先稱取硝酸鉍和醋酸鍶；然后將稱取的硝酸鉍和醋酸鍶加入至溶劑乙二醇中，在磁力攪拌器上攪拌12h，得到澄清透明的B溶液，其中醋酸鍶與硝酸鉍的重量份比為1: (4~5)，醋酸鍶與乙二醇的質(zhì)量體積比為0.04~0.05g/ml ；c.將所制得的B溶液加入至A溶液中，混合后充分?jǐn)嚢?8h，得到淡黃色的鍶鉍鈦前驅(qū)體溶液； (3)將鐵酸鉍前驅(qū)體溶液與鍶鉍鈦前驅(qū)體溶液按照體積比1:1混合，充分?jǐn)嚢?4小時(shí)，然后陳化24小時(shí)； (4)將陳化后的混合溶液在勻膠機(jī)上勻膠，選擇氧化銦錫為襯底，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂膜，控制轉(zhuǎn)速為2000r/min，時(shí)間為30s，制備得到模板晶粒膜；將得到的模板晶粒膜濕膜在熱板上進(jìn)行熱解，熱解溫度為180°C,熱解`時(shí)間為Imin ； (5)采用層層退火的工藝對涂膜后的氧化銦錫襯底進(jìn)行退火熱處理，每涂一層熱處理一次，每次熱處理分為熱分解階段和退火階段，熱分解溫度為300°C，熱解時(shí)間為120s，退火溫度為500°C，退火時(shí)間為180s。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)中硝酸鐵和硝酸鉍為粉末狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)所得鐵酸鉍前驅(qū)體溶液的濃度為0.3mol/L。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)所得鍶鉍鈦前驅(qū)體溶液的濃度為0.lmol/L。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中所得模板晶粒膜單層膜的膜厚大于40nm小于50nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂膜7層。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述鐵酸鉍-鍶鉍鈦多鐵復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(5)中進(jìn)行退火熱處理7次。
【文檔編號】C01G49/00GK103496747SQ201310404619
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】張豐慶, 范素華, 岳雪濤, 田清波 申請人:山東建筑大學(xué)