專利名稱：一種具有成份梯度分布的鐵電薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用化學(xué)方法制備的具有成份梯度分布的高鐵電性能的鐵電薄膜及其制備方法領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
采用溶膠-凝膠方法制備鐵電薄膜的工藝方法有許多報道，尤其在鉛系的鐵電薄膜中，如JOURNAL OF APPLIED PHYSICS，Vol.90(3)，(2001)1480-1488.Reji Thomas，V.K.Varadan，S.omarneni，andD.C.Dube。近年來，隨著對鉛系鐵電薄膜研究的深入，其制備方法也越來越為人們所關(guān)注。一般情況下，所制備的薄膜是沿厚度成份分部均勻的鐵電薄膜，這樣所獲得的薄膜一般具有明顯的居里點，即在低于居里溫度時薄膜表現(xiàn)為鐵電特性，高于居里溫度時薄膜則表現(xiàn)為順電特性。與一般的鐵電薄膜比較，具有成份梯度的鐵電薄膜具有較高的飽和極化強度、介電常數(shù)和熱釋電系數(shù)高等特點。因此，在硅襯底上制備具有成份梯度的鐵電薄膜是人們所期待的。
溶膠-凝膠方法以其化學(xué)計量比控制準(zhǔn)確、成膜面積大且均勻、工藝過程溫度低、設(shè)備簡單等優(yōu)勢而為人們所采用[1]，尤其在制備成份梯度分布的鐵電薄膜方面具有其明顯的優(yōu)勢[2]。利用溶膠凝膠方法熱處理溫度低的特點，每一次旋轉(zhuǎn)涂覆后在較低的溫度下處理，使其有機(jī)物完全分解，最后再在較高的溫度下處理，使其形成成份梯度。近年來，由于對鉛系鐵電薄膜研究的深入，其制備方法也越來越為人們所關(guān)注，但大多集中在單一組成的鐵電薄膜上，而其具有成份梯度結(jié)構(gòu)的鐵電薄膜都是集中在鈦酸鍶鋇(BST)、鈦酸鉛瀾(PLT)的材料體系中，其熱釋電性能、溫度特性在一定程度上得到了提高[3]，并且在PLT成份梯度薄膜中觀察到了反常的電滯回線[4]。目前還沒有具有成份梯度結(jié)構(gòu)的鈦酸鍶鉛(PST)鐵電薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種具有成份梯度分布的高鐵電性能鈦酸鍶鉛(PST)鐵電薄膜。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有成份梯度分布的高鐵電性能鈦酸鍶鉛(PST)鐵電薄膜的制備方法。
本發(fā)明中具有成份梯度分布的高鐵電性能鈦酸鍶鉛(PST)鐵電薄膜，含有Pb1-xSrxTiO3，其中X為0.1～0.7。采用的襯底是LaNiO3/Pt/Ti/SiO2/Si或Pt/Ti/SiO2/Si。
本發(fā)明中具有成份梯度分布的高鐵電性能鈦酸鍶鉛(PST)鐵電薄膜的制備方法如下采用溶膠凝膠法，前驅(qū)體溶液的組分為醋酸鍶、醋酸鉛和異丙醇鈦及溶劑冰醋酸、乙二醇乙醚和乙酰丙酮，溶液中Pb/Sr的比例為1-X∶X，其中X為0.1～0.7，其前驅(qū)體溶液的最終濃度控制在0.2-0.4M之間。采用的襯底是LaNiO3/Pt/Ti/SiO2/Si或Pt/Ti/SiO2/Si。
本發(fā)明中，采用相同的前驅(qū)體溶液濃度，不同的Pb/Sr比例，獲得不同的Pb/Sr比例，相同溶液濃度的前驅(qū)體溶液。例如，采用醋酸鉛、醋酸鍶和異丙醇鈦及相應(yīng)的溶劑，可制得Pb/Sr為0.6/0.4、摩爾濃度為0.4M的鈦酸鍶鉛的前驅(qū)體溶液；同樣可分別獲得Pb/Sr為0.5/0.5、0.4/0.6、0.3/0.7，摩爾濃度為0.4M的鈦酸鍶鉛的前驅(qū)體溶液。
本發(fā)明中，采用與半導(dǎo)體工藝相兼容的旋轉(zhuǎn)涂覆的方法制備薄膜，旋轉(zhuǎn)速度為3000轉(zhuǎn)/分、時間15秒。凝膠膜直接放入500℃的管式爐內(nèi)、放置5分鐘，取出后冷卻至室溫，涂覆下一層凝膠膜，循環(huán)往復(fù)直到獲得所需厚度的薄膜，并經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚳色@得具有成份梯度分布的鐵電薄膜。優(yōu)選的溫度為600℃-700℃，優(yōu)選的熱處理時間為0.5～1小時。然后在其上表面采用直流濺射的方法濺射上電極，其直徑為0.5mm、厚度約為100nm。
本發(fā)明所涉及的上梯度薄膜和下梯度薄膜定義如下沿薄膜厚度方向，即沿從薄膜表面到襯底方向，鍶的含量逐漸增加定義為上梯度薄膜；沿薄膜厚度方向，即沿從薄膜表面到襯底方向，鍶的含量逐漸減少則定義為下梯度薄膜。
本發(fā)明的有益效果與鈦酸鍶鋇(BST)、鈦酸鉛瀾(PLT)鐵電薄膜相比，具有成份梯度分布的PST鐵電薄膜的介電常數(shù)和飽和極化強度都得到了較大幅度的提高。


圖1和圖2分別是制備在LaNiO3/Pt/Ti/SiO2/Si襯底上上成份梯度與下成份梯度薄膜的電滯回線。
具體實施例方式
下面結(jié)合實例作進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解下面所舉的實例只是為了解釋說明本發(fā)明，并不包括本發(fā)明的所有內(nèi)容以四個不同的Pb/Sr比例為例，按如下比例合成制備Pbi-xSrxTiO3成份梯度薄膜的前驅(qū)體溶液，其中x為0.4、0.5、0.6和0.7，所采用的化學(xué)原料為醋酸鉛[Pb(CH3COO)2·3H2O]，醋酸鍶[Sr(CH3COO)2·xH2O]和異丙醇鈦[Ti(OC3H7)4]，溶劑為冰醋酸和乙二醇乙醚。先將醋酸鍶和醋酸鉛(按照一定的化學(xué)計量比x＝0.4)在冰醋酸溶液中加熱至沸騰，5分鐘后停止加熱，并冷卻至室溫，Sr+Pb與冰醋酸的摩爾比為1∶10。再將異丙醇鈦、乙二醇乙醚以及乙酰丙酮(AcAc)的混合溶液加入到含鍶和鉛的冰醋酸溶液中，其中Ti與AcAc的摩爾比為1∶2，異丙醇鈦與乙二醇乙醚的摩爾比為1∶10。最后加入一定量的水和乙二醇乙醚將最終溶液的濃度調(diào)整到0.4M，這里最終溶液的濃度是指以鈦鍶鉛為計在最終溶液中的濃度。異丙醇鈦與水的摩爾比為1∶10。同樣其它組份的前驅(qū)體溶液按此方法合成，放置1到3天后用來制備薄膜。
所使用的襯底為LaNiO3/Pt/Ti/SiO2/Si(100)或Pt/Ti/SiO2/Si，LaNiO3、Pt、Ti、SiO2和Si片的厚度分別是150nm、150nm、50nm、150nm和3500nm。
采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方法制備薄膜，旋轉(zhuǎn)速度為3000轉(zhuǎn)/分、時間15秒。凝膠膜直接放入500℃的管式爐內(nèi)、放置5分鐘，取出后冷卻至室溫，涂覆下一層凝膠膜，循環(huán)往復(fù)直到獲得所需厚度的薄膜，最后將此薄膜在600℃-700℃下熱處理0.5～1小時。然后在其上表面采用直流濺射的方法濺射上電極，其直徑為0.5mm、厚度約為100nm。
所用的前驅(qū)體溶液的濃度、涂覆的層數(shù)與最后獲得薄膜總的厚度有關(guān)，即摩爾濃度越大，其厚度也就越大；層數(shù)越多，其厚度也越大。對于鐵電薄膜而言，其厚度一般情況下為600-800nm。
實施例1制備Pb1-xSrxTiO3，x＝0.4、0.5、0.6和0.7上成份梯度鐵電薄膜取摩爾濃度為0.4M的鈦酸鍶鉛的前驅(qū)體溶液，在制備過程中，先用x＝0.7的前驅(qū)體溶液在襯底LaNiO3/Pt/Ti/SiO2/Si上涂覆2層，然后用x＝0.6的前驅(qū)體溶液涂覆2層，再用x＝0.5的前驅(qū)體溶液涂覆2層，最后用x＝0.4的前驅(qū)體溶液涂覆2層，形成上梯度薄膜。以上每一層都要經(jīng)過500℃、5分鐘的熱處理。最后將此薄膜在650℃下熱處理0.5小時。然后在其上表面采用直流濺射的方法濺射上電極，其直徑為0.5mm、厚度約為100nm。由圖1和圖3可見，Pb1-xSrxTiO3上成份梯度的鐵電薄膜具有高的飽和極化強度和大的介電常數(shù)。
實施例2制備Pb1-xSrxTiO3，x＝0.4、0.5、0.6和0.7下成份梯度鐵電薄膜取摩爾濃度為0.4M的鈦酸鍶鉛的前驅(qū)體溶液，在制備過程中，先用x＝0.4的前驅(qū)體溶液在襯底LaNiO3/Pt/Ti/SiO2/Si上涂覆2層，然后用x＝0.5的前驅(qū)體溶液涂覆2層，再用x＝0.6的前驅(qū)體溶液涂覆2層，最后用x＝0.7的前驅(qū)體溶液涂覆2層，形成下梯度薄膜。最后將此薄膜在600℃下熱處理0.5小時，其它條件同實施例1。由圖2和圖4可見，Pb1-xSrxTiO3上成份梯度的鐵電薄膜的飽和極化強度和介電常數(shù)都得到了較大幅度的提高。
實施例3采用摩爾濃度為0.2M的鈦酸鍶鉛的前驅(qū)體溶液，在制備過程中，先用x＝0.7的前驅(qū)體溶液在襯底Pt/Ti/SiO2/Si上涂覆4層，然后用x＝0.5的前驅(qū)體溶液涂覆4層，再用x＝0.3的前驅(qū)體溶液涂覆4層，最后用x＝0.1的前驅(qū)體溶液涂覆4層。最后將此薄膜在700℃下熱處理1小時，其它條件同實施例1。所制備的Pb1-xSrxTiO3，x＝0.1、0.3、0.5和0.7的成份梯度薄膜的電滯回線和介電常數(shù)與溫度之間的關(guān)系與圖1和圖3相同。
權(quán)利要求
1.一種具有成份梯度分布的高鐵電性能的鐵電薄膜材料，含有Pb1-xSrxTiO3，其中X為0.1～0.7。
2.如權(quán)利要求1所述的具有成份梯度分布的高鐵電性能的鐵電薄膜，其特征在于從薄膜表面到襯底方向，形成鍶的含量逐漸增加的上梯度薄膜或鍶的含量逐漸減少的下梯度薄膜。
3.如權(quán)利要求1所述的具有成份梯度分布的高鐵電性能的鐵電薄膜，其特征在于襯底是LaNiO3/Pt/Ti/SiO2/Si或Pt/Ti/SiO2/Si。
4.權(quán)利要求1所述的具有成份梯度分布的高鐵電性能的鐵電薄膜的制備方法，該方法采用溶膠凝膠法，前驅(qū)體溶液的組分為醋酸鍶、醋酸鉛和異丙醇鈦及溶劑冰醋酸、乙二醇乙醚和乙酰丙酮，前驅(qū)體溶液的最終濃度控制在0.2-0.4M之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有成份梯度分布的高鐵電性能的鐵電薄膜制備方法，其特征在于襯底采用LaNiO3/Pt/Ti/SiO2/Si或Pt/Ti/SiO2/Si。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有成份梯度分布的高鐵電性能的鐵電薄膜的制備方法，其特征在于前驅(qū)體溶液中Pb/Sr的比例為1-X∶X，其中X為0.1～0.7。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有成份梯度分布的高鐵電性能的鐵電薄膜的制備方法，其特征在于從薄膜表面到襯底方向，形成鍶的含量逐漸增加的上梯度薄膜或鍶的含量逐漸減少的下梯度薄膜。
8.如權(quán)利要求5所述的具有成份梯度分布的高鐵電性能的鐵電薄膜的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)、制備前驅(qū)體溶液按所需的Pb/Sr比例，先將醋酸鍶和醋酸鉛在冰醋酸溶液中加熱至沸騰，然后冷卻至室溫，再將異丙醇鈦、乙二醇乙醚以及乙酰丙酮的混合溶液加入到含鍶和鉛的冰醋酸溶液中，最后加入一定量的水和乙二醇乙醚將最終溶液的濃度調(diào)整到0.2～0.4M，放置用來制備薄膜；(2)、制備薄膜在襯底LaNiO3/Pt/Ti/SiO2/Si或Pt/Ti/SiO2/Si上，取不同比例的前驅(qū)體溶液，采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方法涂層，直到獲得所需厚度的薄膜，最后將此薄膜在600℃-700℃下熱處理，然后在其上表面采用直流濺射的方法濺射上電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有成份梯度分布的高鐵電性能的鐵電薄膜的制備方法，其特征在于采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方法涂層時每一涂層都要經(jīng)過500℃、5分鐘的熱處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有成份梯度分布的高鐵電性能的鐵電薄膜的制備方法，其特征在于采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方法制備薄膜時旋轉(zhuǎn)速度為3000轉(zhuǎn)/分、時間15秒，凝膠膜直接放入500℃的管式爐內(nèi)、放置5分鐘，取出后冷卻至室溫，再涂覆下一層凝膠膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有成份梯度分布的高鐵電性能的鐵電薄膜及其制備方法領(lǐng)域。本發(fā)明采用溶膠－凝膠方法，取不同比例的前驅(qū)體溶液，采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方法涂層，并嚴(yán)格控制反應(yīng)前驅(qū)體溶液的濃度為0.2～0.4m，襯底采用LaNiO
文檔編號C04B35/47GK1789198SQ20041009305
公開日2006年6月21日 申請日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者翟繼衛(wèi), 姚熹, 沈波 申請人:同濟(jì)大學(xué)