一种高储能密度玻璃陶瓷薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高储能密度玻璃陶瓷薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)选择原料，配料，研磨，混合，所述原料为PbO，SrCO

Preparation method of glass ceramic film with high energy storage density

The invention discloses a method for preparing a high energy storage density glass ceramic film, comprising the following steps: (1) selecting raw materials, batching, grinding and mixing, wherein the raw material is PbO, SrCO;

【技术实现步骤摘要】
一种高储能密度玻璃陶瓷薄膜的制备方法
本专利技术涉及一种高储能密度玻璃陶瓷薄膜的制备方法。
技术介绍
高储能密度电容器是近年来的一个研究热点，在实际应用中用途广泛，比如可以用来存储能量，还可以在电子装置中用作直流母线电容器等。其中，薄膜电容器由于其体积小，驱动电压低，存储能量密度高，制备工艺简单，便于集成制作元器件及可靠性高等特点逐渐开始受到广泛关注。薄膜电容器一般选用陶瓷类物质或者聚合物充当介质层，它们分别具有较高的相对介电常数或击穿电压。目前常见的聚合物材料主要为聚丙烯和聚偏氟乙烯等，常用的陶瓷材料主要为钛酸盐系列，玻璃陶瓷则是一种具有良好综合性能的新型介质材料。玻璃陶瓷是在玻璃基体中均匀析出高介电常数的陶瓷相材料，具有耐高压的玻璃相和高介电常数陶瓷相两种物相，使得玻璃陶瓷具备高的储能密度，而随着玻璃陶瓷厚度的减小，一方面由于大尺寸缺陷的减小，另一方面由于平行板电容器直径与厚度的比值变大，介质受边缘电场集中的影响减弱，可获得更高的击穿场强，从而提高材料的储能密度。因此，玻璃陶瓷薄膜是理想的高储能介质材料。目前的铁电薄膜储能电容器主要为钛酸盐系列，如OgiharaH等采用固相反应法制备了0.7BaTiO3-0.3BiScO3陶瓷，室温下，电场为73kV/mm时，储能密度为～6.1J/cm3，制备方法众多，如GuoDJ等采用溶胶-凝胶法在Pt衬底上制备了BZT薄膜，GuoYP等采用化学溶液沉积法以Pt/Ti/SiO2/Si为衬底制备了三明治结构的BaTiO3基薄膜，QINWF等利用脉冲激光沉积法在LaNiO3/LaAlO3(001)衬底上生长了Ba0.6Mn0.4TiO3(BST)和Ba(Zr0.2Ti0.8)O3(BZT)单层薄膜，所制备的薄膜均为陶瓷相与气孔并存状态，由于气孔的存在，导致介质薄膜的耐压水平及漏电流成为限制材料应用的短板。而玻璃陶瓷薄膜致密无空隙的优点，使得其在保持一定介电常数的同时，获得高的击穿场强及低的漏电流，目前，对于玻璃陶瓷薄膜的制备未见报道，本专利技术提供了一种制备高储能密度玻璃陶瓷薄膜的方法。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种高储能密度玻璃陶瓷薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)选择分析纯粉末原料，按照一定的摩尔比例进行配料，利用直径5-15mm的玛瑙球作为研磨介质，在混料罐中利用翻转混料机混合4小时。将混合均匀的原料加入铂金坩埚中，在1420℃的高温下保温3小时。接着将熔融均匀的玻璃液快速倒入500℃提前预热的金属模具中，成型后放入退火炉中进行去应力退火，保温6h后，关掉退火炉，随炉冷却；(2)将步骤(1)制备的玻璃片进行可控结晶热处理，处理工艺如下：在600℃保温3h，促使主陶瓷相均匀形核，然后缓慢升温到900-1000℃，保温3h使晶核均匀长大，得到以铌酸盐陶瓷相为主晶相的玻璃陶瓷片。然后将经过结晶热处理得到的玻璃陶瓷片进行机械加工，包括切割、研磨、抛光，制得表面光滑，具有规则形状的厚度为2-5mm左右的圆片作为靶材备用。(3)清洗重掺硅衬底，衬底的表面清洁度会影响薄膜在衬底的附着效果和生长质量，依次用酒精、丙酮超声清洗基片3-5min，然后用氢氟酸腐蚀去除重掺硅表面的氧化层。将靶材与基片分别放置于沉积腔室中，采用脉冲激光或磁控溅射的方式沉积，使用脉冲激光沉积方式时，高能量的激光束聚焦在靶材表面，靶材吸收激光能量而迅速升温，导致靶材以原子、分子及分子团簇的形式从靶材表面逸出，形成区域化的高温高密度的等离子体，等离子体沿着靶材的法线方向轰击基片，在基片的表面形成热化区，当入射粒子流的凝聚速率大于溅射原子的飞溅速率，热化区消失，粒子在基片上生长出薄膜，最终在基片上形成与靶材具有相同化学计量比的薄膜。采用磁控溅射沉积方式时，电子在电场的作用下与Ar原子发生碰撞电离出大量的Ar离子，Ar离子在电场作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子(或分子)，呈中性的靶材原子沉积在基片上形成膜。两种方式均要求本底真空<3.5×10-4pa，通入0-20pa的O2，沉积时间0.5-2h。然后将沉积介质后的基片在快速退火炉中进行热处理，热处理温度为25-1000℃，升温速度为10℃/s,保温时间为10min，热处理气氛为O2，随炉冷却至常温。(4)通过光刻工艺在介质上制备规则图案，使用磁控溅射镀Au3min，形成顶电极，顶电极直径大小50-500um，在基片底部镀Al15min与重掺硅形成欧姆接触作为底电极，形成MIM结构的电容。本专利技术的优势在于成功制备了50nm-2um尺度的玻璃薄膜，并从玻璃基体中析出晶体形成致密无空隙的玻璃陶瓷薄膜，其介电常数达20-186，击穿场强高达326kV/mm，且漏电流密度很好地控制在10-8A/cm2以内，满足微电子领域内对器件漏电流的要求，而储能密度可达16.3J/cm3,适合作为新型的高储能密度介质。附图说明图1为制备MIM电容的结构示意图图2为实施例1所制备薄膜未经热处理与经过800℃热处理后介质层的XRD图谱对比。具体实施方式下面的实施例可以使本专业技术人员更全面理解本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术。实施例1该实施例用于赋予本专利技术玻璃陶瓷的成分范围的限定依据。1号靶材的制备流程如下，首先选择分析纯的PbO，SrCO3，Na2CO3，Nb2O5，SiO2为原料，按照表1的摩尔比例进行配料，利用直径5-15mm的玛瑙球作为研磨介质，在混料罐中利用翻转混料机混合4h。表1成分Pb2+Sr2+Na+Nb5+Si4+摩尔比46204030将混合均匀的原料加入铂金坩埚中，在1420℃的高温下保温3h。接着将熔融均匀的玻璃液快速倒入500℃提前预热的金属模具中，成型后放入退火炉中进行去应力退火，保温6h后，关掉退火炉，随炉冷却；接着将制备的玻璃片进行可控结晶热处理，首先在600℃温度范围内保温3h，促使主陶瓷相均匀形核，然后缓慢升温到900℃保温3h使晶核均匀长大，得到以铌酸盐陶瓷相为主晶相的玻璃陶瓷介质。然后将经过结晶热处理得到的玻璃陶瓷片进行机械加工，包括切割、研磨、抛光，制得表面光滑，直径52mm,厚度为5mm左右的圆片作为靶材备用。依次用酒精、丙酮超声清洗重掺硅基片5min，然后用氢氟酸腐蚀去除重掺硅表面的氧化层。将靶材与基片分别放置于沉积腔室中，本底真空均<3.5×10-4pa，分别通入0，5，10，20pa的O2，沉积时间均为0.5h。然后将沉积介质后的基片在快速退火炉中进行热处理，热处理温度为25，200,400,600,800℃，升温速度均为10℃/s,保温时间为10min，热处理气氛为O2，随炉冷却至常温。通过光刻工艺在介质上制备规则图案，使用磁控溅射镀Au3min，形成顶电极，顶电极直径大小50-500um，在基片底部镀Al15min，与重掺硅形成欧姆接触作为底电极，形成MIM结构的电容。在室温下，利用4200半导体测试仪测试电容的C-V及I-V曲线，测试电压步进为0.05V，测试频率为10kHz,并通过平行板电容器介电常数计算公式获得介电常数值，表2为所测得介电性能，其中漏电流IL为外加场强为10kv/mm时的漏电流。表2实施例2玻璃陶瓷靶材采取与实施例1同样的方式获得，其成分见表3。表3成分Pb2+Sr2+Na+N本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高储能密度玻璃陶瓷薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)选择原料，配料，研磨，混合，所述原料为PbO，SrCO

【技术特征摘要】
1.一种高储能密度玻璃陶瓷薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)选择原料，配料，研磨，混合，所述原料为PbO，SrCO3，Na2CO3，Nb2O5和SiO2；将所述原料加热熔融，在模具中成型为片状物；(2)将步骤(1)制备的片状物进行可控结晶热处理，得到以铌酸盐陶瓷相为主晶相的玻璃陶瓷片，通过机械加工得到圆片靶材；(3)清洗重掺硅衬底，去除重掺硅表面的氧化层，得到基片，将所述基片和步骤(2)得到的靶材分别进行沉积；(4)通过光刻工艺制备规则图案，使用磁控溅射在靶材表面镀金3min，形成顶电极，在基片底部镀铝15min，使铝与重掺硅基片形成欧姆接触作为底电极，形成MIM结构的电容。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)中所述原料为分析纯粉末原料，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭飞虎，杜军，张庆猛，周昊，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：北京,11