專利名稱：鈦酸鍶鋇布拉格反射鏡及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及反射膜為鐵電薄膜的反射鏡，具體是指一種由鈦酸鍶鋇(BST)多層膜為反射膜的布拉格反射鏡及制備方法。
背景技術(shù)：
布拉格反射鏡是由兩種不同的介質(zhì)材料交替排列而成的周期性多層膜系。它的性能主要由峰值反射率、反射帶的寬度及反射帶的位置三者來表征。目前，構(gòu)建周期性介質(zhì)膜系常用的材料有半導(dǎo)體材料、無機化合物和有機聚合物等。用半導(dǎo)體材料制備的布拉格反射鏡難以獲得高的反射率，并且?guī)捿^窄，主要原因就是難以找到兩種晶格匹配且具有較大折射率差值的半導(dǎo)體材料。另外，其制備技術(shù)如分子束外延、金屬有機化學(xué)氣相沉積對設(shè)備要求都較高，而且工藝復(fù)雜。其他材料如TiO2/SiO2，CFx/TiOx，或者CFx/HfOx由于具有較大的折射率差值，被廣泛地用來制作布拉格反射鏡。由于構(gòu)建這些布拉格反射鏡的兩種介質(zhì)，具有不同的晶格常數(shù)及熱膨脹系數(shù)，在生長的過程中容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力，使反射膜產(chǎn)生裂紋。近來，我們利用相分離原理，利用單一溶液制備出了性能優(yōu)良的鋯鈦酸鉛(PZT)多層鐵電反射膜系。這種多層膜系是由致密PZT層及疏松PZT層交替排列而成的周期性鐵電膜。但是PZT含鉛，對環(huán)境和人身健康有害，在將來的應(yīng)用中必然受到極大的限制。鐵電材料BST不僅由于具有高介電常數(shù)、低漏電流、優(yōu)良的介電—溫度穩(wěn)定性等特點，而且不含鉛，對環(huán)境沒有危害，用它來制造布拉格反射鏡將具有廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要提供一種對人身健康和環(huán)境無害且性能優(yōu)越的鈦酸鍶鋇布拉格反射鏡及制備方法。
本發(fā)明的鈦酸鍶鋇布拉格反射鏡由鈦酸鍶單晶襯底，與鈦酸鍶單晶襯底牢固結(jié)合的多個周期，每個周期有二層不同折射率的鈦酸鍶鋇膜層交替排列而成。所說的不同折射率膜層分別為致密鈦酸鍶鋇層和疏松鈦酸鍶鋇層。
本發(fā)明的鈦酸鍶鋇布拉格反射膜采用溶膠—凝膠法生長，其過程如下溶液的配制溶劑為冰醋酸，穩(wěn)定劑為己酰丙酮，增稠劑為聚乙烯吡咯烷酮。它們的摩爾比為30±5∶1±0.8∶1±0.5；溶質(zhì)為醋酸鋇、醋酸鍶、正丁醇鈦，它們的摩爾比為1-x∶x∶1，0＜x＜1；先將醋酸鋇、醋酸鍶、聚乙烯吡咯烷酮溶于溫度為50-80℃的冰醋酸中，然后將己酰丙酮加入溶液中攪拌，待溶液自然冷卻，加入正丁醇鈦持續(xù)攪拌2-3小時，最后通過蒸餾或稀釋得到清澈透明的溶液溶度為0.2-0.5M/L的前驅(qū)體溶液。該溶液具有良好的穩(wěn)定性。
鈦酸鍶鋇布拉格反射膜的制備利用溶膠—凝膠鍍膜工藝，以甩膠速率為每分鐘1000-5000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，在40-60秒的時間內(nèi)，分二次中間間隔10-30秒將配制好的鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶液滴到旋轉(zhuǎn)中的在鈦酸鍶單晶襯底上，旋涂鈦酸鍶鋇膜層；然后把旋涂好的片子放入快速退火爐中，分別在180℃-240℃、350℃-400℃和750℃-800℃的溫度下熱處理3-8分鐘，3-8分鐘和5-10分鐘；重復(fù)上述過程，直至達到所需的層數(shù)或厚度。
本發(fā)明的基本原理是在鍍膜的過程中，由于相分離，聚合物聚乙烯吡咯烷酮在凝膠膜層的底部，自動凝聚成亞微米尺度的微粒，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，聚合物微粒分解，形成孔洞，從而自發(fā)形成明顯可分的致密的鈦酸鍶鋇層和疏松的鈦酸鍶鋇層。這樣，經(jīng)多個生長周期制備出的膜系，其折射率具有按高/低/高/低/…的規(guī)律分布。整個多層膜系便成了擁有光子禁帶的一維光子晶體。
本發(fā)明的優(yōu)點是工藝簡單，成本低，能方便、快捷地制備具有較大帶寬(大于70nm)、高反射率(大于95％)、均勻性及穩(wěn)定性良好的無鉛型鈦酸鍶鋇布拉格反射鏡；同時能通過選擇工藝參數(shù)，溶液濃度等手段，可以操控峰值反射率的中心波長。


圖1為本發(fā)明的鈦酸鍶鋇布拉格反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為實施例1中的鈦酸鍶鋇多層膜的X射線衍射圖。
圖3為曲線A、B分別對應(yīng)實施例1和實施例2中的鈦酸鍶鋇布拉格反射鏡的反射譜。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細說明實施例1鋇鍶比為90/10溶液的配制將2.7864g醋酸鋇，0.2603g醋酸鍶，0.65g聚乙烯吡咯烷酮溶于30ml加熱的冰醋酸中，然后加入約2ml的己酰丙酮，攪拌并使其冷卻，最后加入4.1670ml正丁醇鈦并持續(xù)攪拌2-3個小時，加入少量蒸餾水稀釋，并過濾得到清澈透明，摩爾濃度約為0.3M/L的鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶液。該溶液在長時間內(nèi)(超過半年)不會變質(zhì)。
鈦酸鍶鋇布拉格反射膜的制備利用溶膠—凝膠鍍膜工藝，以甩膠速率為每分鐘4000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，在60秒的時間內(nèi)，分二次(中間間隔20秒)將配制好的鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶液滴到旋轉(zhuǎn)中的在鈦酸鍶單晶襯底上，旋涂鈦酸鍶鋇膜層；然后把旋涂好的片子放入快速退火爐中，分別在200℃、350℃和780℃的溫度下熱處理4分鐘，4分鐘和7分鐘；重復(fù)該過程16次，得到結(jié)構(gòu)為鈦酸鍶襯底\16個周期Ba0.9Sr0.1TiO3的布拉格反射鏡。每個周期膜層的厚度約為120nm。峰值反射率達到99％，對應(yīng)的中心波長為510nm，光子禁帶寬度為73nm。
實施例2鋇鍶比為70/30溶液的配制將2.1672g醋酸鋇，0.7808g醋酸鍶，0.65g聚乙烯吡咯烷酮溶于30ml加熱的冰醋酸中，然后加入約2ml的己酰丙酮，攪拌并使其冷卻，最后加入4.1670ml正丁醇鈦并持續(xù)攪拌2-3個小時，加入少量蒸餾水并過濾得到清澈透明，摩爾濃度約為0.3M/L的鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶液。
以甩膠速率為每分鐘3000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，在60秒的時間內(nèi)，分二次中間間隔20秒將配制好的鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶液滴到旋轉(zhuǎn)中的在鈦酸鍶單晶襯底上，旋涂鈦酸鍶鋇膜層；然后把旋涂好的片子放入快速退火爐中，分別在180℃C、400℃和750℃的溫度下熱處理5分鐘，5分鐘和10分鐘；重復(fù)15次，得到結(jié)構(gòu)為鈦酸鍶襯底\15個周期Ba0.7Sr0.3TiO3的布拉格反射鏡。每個周期膜層的厚度約為135nm。峰值反射率達到96.4％，對應(yīng)的中心波長為590nm，光子禁帶寬度為76nm。
見圖2，X射線衍射分析表明，采用本發(fā)明制備的多層鈦酸鍶鋇介質(zhì)膜系具有良好的結(jié)晶性能；反射譜測量表明，用本發(fā)明制備的鈦酸鍶鋇布拉格反射鏡，具有95％以上的反射率，且?guī)挻笥?0nm。主反射帶峰形對稱，出現(xiàn)平頂結(jié)構(gòu)，次級反射峰強度被明顯地抑制；通過調(diào)整工藝參數(shù)，可以實現(xiàn)對峰值反射率中心波長位置的調(diào)控。
權(quán)利要求
1.一種鈦酸鍶鋇布拉格反射鏡，由鈦酸鍶單晶襯底(1)，與鈦酸鍶單晶襯底牢固結(jié)合的多個周期，每個周期有二層不同折射率的鈦酸鍶鋇膜層交替排列而成；所說的不同折射率膜層分別為致密鈦酸鍶鋇層(2)和疏松鈦酸鍶鋇層(3)。
2.一種制備如權(quán)利要求1所述的鈦酸鍶鋇布拉格反射鏡的方法，其特征在于具體步驟如下A.溶液的配制溶劑為冰醋酸，穩(wěn)定劑為己酰丙酮，增稠劑為聚乙烯吡咯烷酮。它們的摩爾比為30±5∶1±0.8∶1±0.5；溶質(zhì)為醋酸鋇、醋酸鍶、正丁醇鈦，它們的摩爾比為1-x∶x∶1，0＜x＜1；先將醋酸鋇、醋酸鍶、聚乙烯吡咯烷酮溶于溫度為50-80℃的冰醋酸中，然后將己酰丙酮加入溶液中攪拌，待溶液自然冷卻，加入正丁醇鈦持續(xù)攪拌2-3小時，最后通過蒸餾或稀釋得到清澈透明的溶液溶度為0.2-0.5M/L的前驅(qū)體溶液；B.鈦酸鍶鋇布拉格反射膜的制備利用溶膠-凝膠鍍膜工藝，以甩膠速率為每分鐘1000-5000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，在40-60秒的時間內(nèi)，分二次中間間隔10-30秒將配制好的鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶液滴到旋轉(zhuǎn)中的在鈦酸鍶單晶襯底上，旋涂鈦酸鍶鋇膜層；然后把旋涂好的片子放入快速退火爐中，分別在180℃-240℃、350℃-400℃和750℃-800℃的溫度下熱處理3-8分鐘，3-8分鐘和5-10分鐘；重復(fù)上述過程，直至達到所需的層數(shù)或厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鈦酸鍶鋇布拉格反射鏡及制備方法，反射鏡包括鈦酸鍶單晶襯底，在鈦酸鍶基片上由致密鈦酸鍶鋇層及疏松鈦酸鍶鋇層交替排列形成多個周期的鈦酸鍶鋇反射膜堆。鈦酸鍶鋇反射膜片采用溶膠—凝膠法生長，溶劑為冰醋酸，穩(wěn)定劑為己酰丙酮，增稠劑為聚乙烯吡咯烷酮。溶質(zhì)為醋酸鋇、醋酸鍶、正丁醇鈦。本發(fā)明的優(yōu)點是所用設(shè)備簡單，操作方便，能大面積制備多層膜系。同時，通過選擇工藝參數(shù)，溶液濃度等手段，可以得到具有較大帶寬，高反射率，并且峰值反射率中心波長位置可調(diào)的布拉格反射鏡片。
文檔編號G02B5/08GK1851502SQ20061002693
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者胡古今, 洪學(xué)鵾, 戴寧 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所