[發明專利]高摻雜BaTiO3:Fe多鐵薄膜材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201610029831.0
• 申請日: 2016-01-12
• 公開（公告）號: CN105568265B
• 公開（公告）日: 2017-10-10
• 發明（設計）人: 田建軍;高惠平;田軍鋒;范素娟;秦勉;賈彩虹;鄭海務;張偉風
• 申請（專利權）人: 河南大學
• 主分類號: C23C18/16
• 分類號: C23C18/16;H01F41/22;H01F41/24
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 崔友明

技術領域

本發明涉及一種高Fe含量摻雜BaTiO₃多鐵薄膜材料及其制備方法，屬于材料科學領域。

背景技術

BaTiO₃是一種具有光伏、壓電、鐵電、電光和非線性光學性能的材料，在存儲器、光伏和光探測等方面有著實際的和潛在的應用。通過摻雜，BaTiO₃的某些性能可以得到提高和改善。Fe是一種重要的摻雜元素，Fe摻雜BaTiO₃同時具有鐵電性和鐵磁性，是一種潛在的新型多鐵材料。目前，Fe摻雜BaTiO₃薄膜的制備方法有脈沖激光沉積、磁控濺射、化學氣相沉積和溶膠凝膠法等等。前三種制備方法的設備昂貴，而且制備過程復雜，不利于大規模生產；而在現有溶膠凝膠法制備過程中，要么利用昂貴原料如乙醇鐵[J Mater Chem 16,1626,2006]、異丙醇鐵[J Appl Phys 88，1008，2000]和甲基二茂鐵甲醇[US Patent 7795663B2]，或者利用較強毒性溶劑如二乙醇胺[US Patent 7795663B2]，要么鐵摻雜量不超過1％[Mater Lett63,2622,2009]。這些都不利于對Fe摻雜BaTiO₃薄膜的深入和廣泛的研究以及其器件商業化規模生產，所以尋找低成本、工藝簡單且環保的方法制備高Fe含量摻雜BaTiO₃多鐵薄膜勢在必行。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足之處，提供一種低成本，高重復性，適用于大規模工業生產的高效生長高摻雜BaTiO₃:Fe薄膜的方法。

為實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案：一種高摻雜BaTiO₃:Fe多鐵薄膜材料，其分子式為BaTi_1-xFe_xO₃，x為摻雜成分的原子比，x＝0.01～0.4。

按上述方案，所述的x＝0.05～0.2。

按上述方案，所述的高摻雜BaTiO₃:Fe多鐵薄膜材料的厚度為100～700nm，其晶粒大小為20～120nm。

所述的高摻雜BaTiO₃:Fe多鐵薄膜材料的制備方法，包括有如下依次步驟：

1)前驅體制備

將可溶于醇和有機酸的Fe源、Ba源和Ti源溶于醇、有機酸和乙酰丙酮，經攪拌溶解后，加入乙二醇或者乙二醇與聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液，再經攪拌得到澄清透明棕紅色溶液，密閉，高溫陳化過濾所述溶液制得高摻雜BaTiO₃:Fe溶膠前驅體；其中Ba離子濃度為0.01～1mol/l；

2)襯底清洗預處理

選擇襯底清洗，將其在丙酮，酒精和去離子水中分別超聲1～15分鐘，再用高純N₂吹干，在300～850℃退火3～5分鐘；

3)高摻雜BaTiO₃:Fe多鐵薄膜的制備

將步驟1)制得的高摻雜BaTiO₃:Fe溶膠前驅體旋涂于步驟2)所述的襯底上，然后在200～850℃之間對其進行階梯退火；

4)多次重復步驟3)的涂膠、退火過程，得到需要厚度的薄膜樣品；

5)電極制備：向步驟4)制得的導電襯底的高摻雜BaTiO₃:Fe多鐵薄膜上，濺射Pt或者Au電極。

按上述方案，所述的襯底為Si、石英、BaTiO₃、LaAlO₃、LaNiO₃、ZrO₂、SrTiO₃、LaNiO₃/Si、Pt/TiO₂/SiO₂/Si、Pt/Ti/SiO₂/Si或Nb:SrTiO₃。

按上述方案，步驟1)中所述的Fe源為硝酸鐵、硝酸亞鐵、氯化鐵或氯化亞鐵；Ba源為乙酸鋇、氯化鋇或鈦酸鋇；Ti源為鈦酸四丁酯或四氯化鈦；醇為無水乙醇或異丙醇；有機酸為冰醋酸、酒石酸或檸檬酸。

按上述方案，步驟1)所述的醇和乙酰丙酮體積比為10:1～1:1，其混合液要先于Ti源加入，且Ti源要在室溫～80℃溫區緩慢加入。

按上述方案，步驟1)中乙二醇與聚乙烯吡咯烷酮體積比1:0.001～1:0.5。