專利名稱：一種摻Mn的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇薄膜的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種取向可控、環(huán)境友好無鉛壓電薄膜的制備方法，具體為一種摻Mn的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇薄膜的制備方法，屬于鐵電薄膜材料領域。
背景技術：
從20世紀80年代至今，半導體器件工藝及薄膜制備技術的迅速發(fā)展，引起人們對于鐵電壓電薄膜在存貯器、微電子機械系統(tǒng)、高頻微電子等領域中應用的濃厚興趣，世界各國爭相開展鐵電壓電薄膜的制備研究，應用領域遍及通信、傳感、醫(yī)療、航天、機械、生物等眾多領域。在鐵電存貯器、微型傳感器、驅動器等應用中，目前常見的主要是以鋯鈦酸鉛(PZT)為代表的壓電薄膜材料。這類薄膜因具有大的剩余極化強度，高的壓電系數(shù)、機電耦 合系數(shù)，并且具有功耗小、力矩大，響應時間快等突出優(yōu)點，受到西方發(fā)達國家積極關注，開展了大量關于壓電薄膜的研制工作，并取得了長足的進步，目前，壓電系數(shù)已接近純的PZT陶瓷材料。但值得注意的是，這些壓電體系中含有大量的鉛元素(質量百分比達60%以上)，在制備過程中極易造成對環(huán)境的危害。因此，以美國、日本、歐洲共同體及中國為代表的世界各國都已立法對含鉛材料的使用進行了嚴格的限制，同時立項投入巨資開展了無鉛壓電材料的研究與開發(fā)，正如著名學者Cross所述,“l(fā)ead free at last”,研制新型高性能環(huán)境友好的鐵電壓電材料已成為近幾年世界各國致力研發(fā)的熱點材料之一。通過前期對準同型相界無鉛壓電體材料的研究發(fā)現(xiàn)，摻Mn后的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇單晶壓電系數(shù)接近500pC/N，與傳統(tǒng)PZT陶瓷壓電系數(shù)相當，開展相應的薄膜體系制備研究對于促進其在MEMS中的應用具有重要價值?；诖?，本發(fā)明提供了一種制備具有取向可控的摻Mn的鈦酸鉍鈉一鈦酸鋇薄膜的制備方法，顯示出較好的鐵電性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種摻Mn的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇薄膜的制備方法，以解決現(xiàn)有技術的上述問題。本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)一種摻Mn的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇薄膜的制備方法，其制備工藝流程如下(I)靶材的制備以高純Bi2O3, Na2CO3, BaCO3, TiO2為原料，按照化學式(l_x)Bia5Naa5TiO3 =XBaTiO3 :0. 005Mn的化學計量比稱量，其中0. 03彡x彡0. 09 ;將原料在無水乙醇中用鋯球濕磨，然后烘干、壓片，在800-900°C大氣壓下鍛燒1-4小時，制得鈣鈦礦結構粉料；將所得鈣鈦礦結構粉料二次球磨烘干后壓片，并于1200°C下保溫1-4小時燒結得到靶材；(2)薄膜的制備(a)裝好祀材和襯底,調節(jié)祀基距5. 5cm ；(b)濺射溫度650-700°C，功率300mJ，頻率8Hz，通入一定量的氧氣，沉積氣壓30_50Pa ；(c)濺射完畢在原位退火30min，保持氧氣壓并自然冷卻至室溫，制得摻Mn的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇薄膜。所述的薄膜是通過準分子脈沖激光沉積法制備得到。所述的薄膜制備中采用的襯底是Pt(lll)/Ti/Si02/Si。所制備的摻Mn的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇薄膜為無鉛壓電薄膜，適用于MEMS領域。本發(fā)明是在具有優(yōu)良機電耦合響應的摻Mn的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇基礎上，首先利用固相反應法制備靶材，然后利用脈沖激光沉積系統(tǒng)在鉬金襯底上制備相應的薄膜，通過溫度、氧壓、濺射功率、頻率等工藝參數(shù)的調控，可實現(xiàn)對薄膜取向的調控，制備具有良好鐵電性能的環(huán)境友好薄膜材料。該方法制備簡單、重復性好，適合用作MEMS領域的驅動和傳感元件。通過工藝參數(shù)調控薄膜的取向和厚度，制備的無鉛壓電薄膜顯示出較好的鐵電與介電性能，具有操作方便，重復性好的優(yōu)點。


圖I為實施例I制備的不同沉積溫度下BNBT-Mn薄膜的XRD ；圖2為實施例I中680°C制備的BNBT-Mn薄膜表面SEM ；圖3為實施例I中680°C制備的BNBT-Mn薄膜斷面SEM ；圖4為實施例I中700°C制備的BNBT-Mn薄膜表面SEM ；圖5為實施例I中700°C制備的BNBT-Mn薄膜斷面SEM ；圖6為實施例I中680°C制備的BNBT-Mn薄膜的電滯回線；圖7為實施例I中700°C制備的BNBT-Mn薄膜的電滯回線；圖8為實施例I中680°C制備BNBT-Mn薄膜的相對電容率和損耗隨頻率變化曲線；圖9為實施例I中700°C制備BNBT-Mn薄膜的相對電容率和損耗隨頻率變化曲線。
具體實施例方式下面結合附圖與具體實施例進一步闡述本發(fā)明的技術特點。實施例I(I)靶材的制備以高純Bi2O3, Na2CO3, BaCO3, TiO2為原料，按照化學式0. 935Bi0.5Na0.5Ti03-0 . 06 5BaTi03-0 . 00 5Mn的化學計量比稱量，將原料在無水乙醇中用鋯球濕磨6小時，然后烘干、壓片，在850°C大氣壓下鍛燒2小時，制得鈣鈦礦結構粉料；將所得鈣鈦礦結構粉料二次球磨烘干后壓片，并于1200°C下保溫2小時燒結得到靶材。(2)利用脈沖激光沉積系統(tǒng)制備薄膜，調節(jié)靶基距5. 5cm，濺射溫度650°C，68(TC和700°C，功率300mJ，頻率8Hz，通入氧氣，氣壓調節(jié)為30Pa，濺射40min，隨后在沉積溫度退火30min，保持氧氣壓并自然冷卻至室溫制得摻Mn的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇薄膜。(3)測試XRD，鍍上Au電極，直徑0. 2mm，測試其IkHz下的電滯回線與介電譜。實施例2本實施例與實施例I各步驟基本相同，不同之處在按化學式0. 97Bi0.5Na0. JiO3-O.03BaTi0s-0. 005Mn 進行配料。實施例3
本實施例與實施例I各步驟基本相同，不同之處在按化學式0. 96Bi0.5Na0. JiO3-O.04BaTi03-0 . 00 5Mn 進行配料。實施例4本實施例與實施例I各步驟基本相同，不同之處在按化學式0. 95Bi0.5Na0. JiO3-O.05BaTi03-0 . 00 5Mn 進行配料。實施例5本實施例與實施例I各步驟基本相同，不同之處在按化學式0. 91Bi0.5Na0. JiO3-O.09BaTi03-0 . 00 5Mn 進行配料。由圖I中可以看出實施例I中薄膜具有純的鈣鈦礦結構，680°C制備的薄膜主要呈 〈100〉取向，700°C制備的薄膜呈多晶取向。由圖2可以看出薄膜呈現(xiàn)較好的致密性。由圖3可以看出，所制備薄膜的厚度約260nm。由圖4可以看出薄膜具有較好的致密性。由圖5可以看出所制備薄膜的厚度約400nmo由圖6所示，實施例中680°C制備的BNBT-Mn薄膜的電滯回線，測試頻率1kHz，剩余極化強度約12 ii C/cm2,矯頑場約12kV/mm。由圖7可以看出，實施例中700°C制備的BNBT-Mn薄膜的電滯回線測試頻率1kHz，剩余極化強度約12 y C/cm2，矯頑場約10kV/mm。由圖8可見，實施例中680°C制備BNBT-Mn薄膜的相對電容率和損耗隨頻率變化曲線，隨著頻率增加，介電常數(shù)有所降低。由圖9所示，實施例中700°C制備BNBT-Mn薄膜的相對電容率和損耗隨頻率變化曲線，隨著頻率增加，介電常數(shù)有所降低。實施例2-5的測試結果與實施例I相似。本發(fā)明中，利用溫度可實現(xiàn)對薄膜生長方向的調控。680°C下制備的薄膜具有單一的〈100〉取向，厚度260nm，lkHz下介電常數(shù)和損耗約為850和0. 12，剩余極化強度和矯頑場約12 u C/cm2和12kV/mm左右；700°C下制備的薄膜呈現(xiàn)多晶取向，約400nm，IkHz下介電常數(shù)和損耗約為1400和0. 2，剩余極化強度和矯頑場分別約12 u C/cm2和10kV/mm。
權利要求
1.ー種摻Mn的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇薄膜的制備方法，其特征在于其制備エ藝流程如下 (1)革巴材的制備以高純Bi2O3,Na2CO3, BaCO3, TiO2為原料，按照化學式(1-x)Bi0 5Na0 5TiO3-XBaTiO3-O. 005Mn的化學計量比稱量，其中0. 03彡x彡0. 09 ;將原料在無水こ醇中用鋯球濕磨，然后烘干、壓片，在800-900°C大氣壓下鍛燒1-4小時，制得鈣鈦礦結構粉料；將所得鈣鈦礦結構粉料二次球磨烘干后壓片，并于1200°C下保溫1-4小時燒結得到靶材； (2)薄膜的制備 Ca)裝好IE材和襯底,調節(jié)IE基距5. 5cm ； (b)濺射溫度650-700で，功率300mJ，頻率8Hz，通入一定量的氧氣，沉積氣壓30_50Pa ； (c)濺射完畢在原位退火30min，保持氧氣壓并自然冷卻至室溫，制得摻Mn的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇薄膜。
2.根據(jù)權利要求I所述的ー種摻Mn的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇薄膜的制備方法，其特征在干所述的薄膜制備中采用的襯底是Pt(lll)/Ti/Si02/Si。
3.根據(jù)權利要求I所述的ー種摻Mn的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇薄膜的制備方法，其特征在于所制備的摻Mn的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇薄膜為無鉛壓電薄膜，適用于MEMS領域。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種摻Mn的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇薄膜的制備方法，其制備方法如下以高純Bi2O3,Na2CO3,BaCO3,TiO2為原料，將原料在無水乙醇中用鋯球濕磨、烘干、壓片，在一定大氣壓下鍛燒，制得鈣鈦礦結構粉料；將所得鈣鈦礦結構粉料二次球磨烘干后壓片，并于1200℃下保溫1-4小時燒結得到靶材；裝好靶材和襯底，調節(jié)靶基距、濺射溫度、功率、頻率；濺射完畢在原位退火，保持氧氣壓并自然冷卻至室溫，制得摻Mn的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇薄膜。本發(fā)明可以通過工藝參數(shù)調控薄膜的取向和厚度，制備的無鉛壓電薄膜顯示出較好的鐵電與介電性能，具有操作方便，重復性好的優(yōu)點。
文檔編號C04B35/622GK102731107SQ20121024032
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月12日 優(yōu)先權日2012年7月12日
發(fā)明者姚其容, 徐敏, 王飛飛, 石旺舟, 金成超 申請人:上海師范大學