[發明專利]一種可服役于高電場的鉍鐵系多鐵性薄膜的合成

有效

• 申請號: 201310104737.3
• 申請日: 2013-03-28
• 公開（公告）號: CN103193395A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 孫冬梅;趙保杰;程芳;俞圣雯
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: C03C17/23
• 分類號: C03C17/23;C03C17/22
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本發明涉及的是在FTO?(摻氟的SnO₂)?導電玻璃襯底上，通過溶膠-凝膠工藝制得的可服役于高電場(2300kV/cm)?的鉍鐵系多鐵性薄膜，屬于無機非金屬多鐵性薄膜材料制備技術領域。

背景技術

隨著器件向著微型集成化的發展，使得多功能薄膜材料的研究廣受關注，鐵酸鉍?(BiFeO₃，簡寫為：BFO，下同)?是一種典型的鈣鈦礦型-多鐵性材料，即同時具有鐵電性、鐵磁性或鐵彈性。其多功能性通過鐵電、鐵磁、鐵彈性之間的協同作用得以實現。可用于開發磁－電、光－電多自由度互控的存儲器、傳感器、探測器等，多功能光、電子器件，廣泛應用于航天、汽車工業、生物醫學、信息等技術領域。然而，影響其主要應用的是它們具有較大的漏電流。

為了提高薄膜的絕緣性，研究者進行了大量的嘗試性研究。其中上世紀60年代提出的BiFeO₃-PbTiO₃（簡寫為：BFO-PT，下同）固溶體系，具有較高的絕緣性和強鐵電性，可以作為用于上述提及的微型多功能器件的薄膜候選材料。其中組分為0.7BFO-0.3PT（即鐵酸鉍-鈦酸鉛的摩爾比：0.7（BFO）:?0.3?(PT)?構成，下同）薄膜，具有優化的鐵電、介電性能，而且0.7BFO-0.3PT薄膜材料的含鉛量較低，屬于相對環境友好的材料。然而，0.7BFO-0.3PT薄膜無法表現出可測試的多鐵性能，主要是因為它基本喪失了鐵磁性的表達，而其絕緣性在100nm左右厚度時也遠不夠理想。

本試驗根據BFO-PT材料本身的相結構特征，利用溶膠-凝膠法制備薄膜的特點，通過將小比例的ZnO溶膠復合進0.7BFO-0.3PT溶膠的途徑，來改造BFO-PT前驅體，進而達到設計并提升該鉍鐵系薄膜多鐵性能的目的。

本發明主要是利用了溶膠凝膠法的計量配比容易控制、實施方便、周期短等優點。通過多次嘗試找到一特定計量下特定性能的提高或改善。這種方法工藝簡單，容易形成大面積的均勻膜，適合制備多組分薄膜材料。對于特定的薄膜材料，在溶膠的前驅體配置過程中，存在特定的計量配比，否則難以制備具有預期性能的薄膜材料。

本發明采用FTO?(摻氟的SnO₂)-?導電玻璃作為襯底，襯底便于粗略觀察復合薄膜的外貌狀態，從而大致了解制備過程中的各個環節對該復合薄膜的影響，如烘烤及預結晶溫度太高是否會導致薄膜開裂等問題。這與常用的不透明Si/Pt襯底比較，可在一定程度上減少工作量。??

本發明以溶膠-凝膠方法制備的鉍鐵系薄膜材料，具集鐵電、鐵磁性能于一體的多鐵性能，為一種高度絕緣的多鐵性薄膜材料，可在2300kV/cm的高電場下服役工作。

發明內容

本發明的目的是在FTO(摻氟的SnO₂)導電玻璃上，通過溶膠凝膠工藝過程中對溶膠前驅體配置工藝的設計，在大氣環境中制備出結晶性良好，高度絕緣的鉍鐵系多鐵性薄膜材料。

此工作設計與合成一種具有高度絕緣的鉍鐵系多鐵性薄膜材料，其具有以下的工藝和步驟：

a.???????FTO?導電玻璃襯底的預處理：

用丙酮按同一方向輕輕擦洗襯底表面，再經過丙酮、無水乙醇3次超聲振蕩，每次至少5分鐘，酒精浸泡12h，最后用去離子水清洗，烘干備用；

b.???????鐵酸鉍-鈦酸鉛（0.7BFO-0.3PT）溶膠的制備：

???(1)?用分析天平稱取一定量的鈦酸正四丁酯置于圓底燒瓶中，加入適量的乙二醇甲醚；然后稱取一定量醋酸鉛加入上述溶液中，并于60⁰C下油浴攪拌至澄清；之后加入一定量摩爾比的混合液，即為混合液摩爾比：水:?冰醋酸:?乙二醇甲醚=（0.2～1）:(0.4～2):?(0.2~1)；配置得到鈦酸鉛的前驅體溶液；

(2)?將油浴溫度調節至90⁰C，持續攪拌前驅體溶液2小時后取下放置常溫；加入一定比例甲酰胺；攪拌均勻后按照0.7BFO-0.3PT的比例，分別稱取一定量的五水硝酸鉍和九水硝酸鐵，先后加入，然后室溫攪拌至完全溶解，最后用滴定管加入一定比例的冰醋酸，攪拌24h，形成鐵酸鉍-鈦酸鉛?(0.7B.FO-0.3PT)溶膠，靜置12-48h后待用；

c.?氧化鋅?(ZnO)?溶膠的制備：