一种钛酸铋铁电薄膜的制备方法技术

本发明专利技术涉及铁电薄膜与器件制备技术领域，具体涉及一种钛酸铋铁电薄膜的制备方法。其通过溶液改性与紫外辐照结合的办法，使得薄膜的烧结温度降低到了500℃以下，解决了现有钛酸铋铁电薄膜烧结温度高，Bi元素容易挥发等缺陷，并达到了与Si集成电路兼容的目的。本发明专利技术的制备方法包括以下步骤：1）前驱溶液的制备；2)BT凝胶膜的制备；3）BT凝胶膜的预处理；4）BT前驱薄膜的终处理。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】一、
本专利技术涉及铁电薄膜与器件制备
，具体涉及。二、
技术介绍
由于铁电体特殊的介电、电光、声光、光折变、非线性光学、热释电和压电性能，是一种极具商业应用前景的材料，因此铁电体的应用很早就引起了物理学界和材料科学界的注意。二十世纪五十年代就曾掀起过对铁电体应用研究的高潮。七十年代以来，由于对铁电体认识的深入，人工铁电材料种类的扩大，微电子集成技术的进步，特别是随着铁电薄膜制备技术的一系列突破，成功地制备出性能优良的铁电薄膜，工作电压可在3-5V，可与Si或GaAs电路集成，铁电薄膜制备工艺与集成电路工艺兼容成为可能，极大地促进了铁电薄膜的制备与器件应用研究的发展，使之在微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域有着广泛的应用前景，成为国际上新型功能材料研究的热点之一。但是如何获得高品质的铁电薄膜，如何让铁电薄膜的制备与集成电路的工艺兼容，是困扰着人们的难题，这在很大程度上限制了铁电材料的应用与发展。近二十年来，随着微纳技术的发展及实际应用的需要，采用低成本的、易于商业化的溶胶凝胶或化学溶液沉积等湿化学法，制备具有各种磁、光、电学特性的薄膜逐渐受到人们重视。采用溶胶凝胶技术制备氧化物纳米薄膜，并形成相应的器件，逐渐成为近年来的研发热点。然而，传统的溶胶-凝胶法制备氧化物薄膜存在一个重要的难题没有克服，即溶胶凝胶法制备的这类薄膜的结晶温度较高，一般都在600°C以上。而这一温度是与当前Si基半导体工艺技术并不兼容(要求500°C以下)。发展新颖的低温溶胶凝胶制备技术，是这类钙钛矿氧化物材料得以在微电子领域应用的关键。铁电材料中，PZT固然具有优良的铁电特性，但因为含有有毒的Pb，对环境造成一定污染，世界卫生组织已经明确提出了要限制对这类材料的使用。为此，必须要发展新的铁电材料，这其中，Bi4Ti3O12 (简写为BT)材料引起了广泛关注。这一材料具有高剩余极化值，良好的耐疲劳特性，因此，在未来的非挥发存储器中将有很大的应用价值。但溶胶凝胶制备的Bi4Ti3O12薄膜，一般都需要600°C以上的结晶温度，如何改进溶液成分，或借助其他措施，降低烧结温度，使之与Si集成电路融合，是Bi4Ti3O12薄膜得以应用必须解决的问题。三、
技术实现思路
本专利技术为了解决上述
技术介绍
中的不足之处，提供，其通过溶液改性与紫外辐照结合的办法，使得薄膜的烧结温度降低到了 500°C以下，解决了现有钛酸铋铁电薄膜烧结温度高，Bi元素容易挥发等缺陷，并达到了与Si集成电路兼容的目的。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为:，其特征在于:所述的制备方法包括以下步骤: O前驱溶液的制备1.1将硝酸铋(以下简称BT)溶解在含有溶剂和醋酸的溶液中，搅拌澄清后获得溶液A ;溶液A中，醋酸和硝酸铋的摩尔比为15~20:1 ; 1.2将钛酸丁酯溶液倒入含有溶剂和乙酰丙酮的混合溶液中，搅拌澄清后，获得溶液B，溶液B中，乙酰丙酮和钛酸丁酯的摩尔比例为1~2:1 ； 1.3将溶液A和溶液B按照摩尔比B1: Ti=4:3混合，得混合溶液； 通过调节溶剂用量，使得混合溶液中Bi和Ti离子的总浓度控制在0.2-0.5mol/l范围内； 1.4将获得的混合溶液静置24~48小时后，按照T1:氨水:硝酸=1:3:3的摩尔比加入氨水和硝酸，即获得BT前驱溶液； 2)BT凝胶膜的制备 利用步骤I)获得的BT前驱溶液，在镀有Pt、ITO或1^祖03导电层的Si基底上，通过提拉或旋涂法，制得BT凝胶膜； 3)BT凝胶膜的预处理 将步骤2)获得的BT凝胶膜，置于250-300°C的加热板上，利用波长为184_254nm的紫外灯辐照BT凝胶膜20-50min，得BT前驱薄膜； 4)BT前驱薄膜的终处理 将步骤3)获得BT前驱薄膜，置入红外感应加热炉中，快速升温至440-460°C，并保温30分钟，得BT薄膜； 为了增加薄膜厚度，需重复步骤2)，步骤3)及步骤4)约5-6次，即可获得晶化的BT薄膜。所述的步骤I)中BT前驱溶液中氨水，硝酸与乙酰丙酮的摩尔比例为:氨水:硝酸:乙酰丙酮=3:3:1~2。步骤I)中所述的溶剂为甲醇或乙二醇甲醚。步骤3)中紫外灯发射的紫外光中，波长184nm的紫外线占10%以上，而波长254nm的紫外线占80%以上。步骤3)中所述的紫外灯与BT凝胶膜的距离保持在l-5cm范围内。步骤4)中所述的BT前驱薄膜快速升温速度控制在每秒钟25_50°C范围内。与现有技术相比，本专利技术具有的优点和效果如下: 1、在溶液中添加乙酰丙酮，和氨水为稳定剂，与钛酸丁酯络合，形成了不易水解缩聚的钛金属络合物，从而使得溶液稳定，不发生沉淀。另外，这种络合物对254nm波长的紫外线具有强烈的吸收作用，吸收的能量促进了金属有机物的分解，并形成金属-氧-金属框架，为后续的低温烧结提供了基础。同时，通过在溶液中加入硝酸作为氧化剂，避免了分解后的薄膜缺氧现象的发生。形成了相应的氧化物。总之，本专利通过化学溶液组份和添加剂的精确控制，和紫外线辅助照射提供能量，使得原本需要600°C以上结晶的钛酸铋薄膜的烧结温度降低到了 500°C以下，即实现了 Si半导体所能容忍的温度以下。这样，为将来Si基铁电薄膜器件提供了一种新思路。2、由于短波长的紫外线辐照作用，与凝胶薄膜发生光化学反应，分解凝胶膜中的氧离子，而形成臭氧，具有强烈的活性及氧化作用，从而与凝胶膜中的碳发生反应，形成CO2带出薄膜，极大程度地降低了薄膜内碳的残留，从而保障了薄膜的铁电特性。3、钛酸铋薄膜中的铋具有很强的挥发性，热处理温度越高，挥发的越多，本专利技术通过短波长的紫外线辐照的作用而降低了烧结温度，从而降低了铋的挥发性，有效地保证了钛酸铋中铋与钛的化学计量比，从而确保了所得钛酸铋薄膜具有良好的特性。四、【附图说明】 图1钛酸铋薄膜的XRD图； 图2钛酸铋薄膜的极化强度与外加电场的关系； 图3钛酸铋薄膜的疲劳特性曲线图。五、【具体实施方式】 下面结合附图和【具体实施方式】对本专利技术进行详细说明。实施例1 1)、前驱溶液的制备 将硝酸铋(以下简称BT)溶解在含有甲醇和醋酸的溶液中，搅拌澄清后获得溶液A ;溶液A中，醋酸和硝酸铋的摩尔比为15:1。将钛酸丁酯溶液倒入含有甲醇和乙酰丙酮的混合溶液中，搅拌澄清后，获得溶液B;溶液B中，乙酰丙酮和钛酸丁酯的摩尔比例为1: 1.将溶液A和溶液B按照摩尔比B1: Ti=4:3混合，得混合溶液； 通过调节甲醇用量，使得混合溶液中Bi和Ti离子的总浓度控制在0.3mol/l。将获得的混合溶液静置24~48小时后，按照T1:氨水:硝酸=1:3:3的摩尔比加入氨水和硝酸，即获得BT前驱溶液； 2)BT凝胶膜的制备 利用步骤I)获得的BT前驱溶液，在镀有Pt导电层的Si基底上，通过提拉或旋涂法，制得BT凝胶膜； 3)、BT凝胶膜的预处理 将步骤2)获得的BT凝胶膜，置于30当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛酸铋铁电薄膜的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括以下步骤：1）前驱溶液的制备1.1将硝酸铋（以下简称BT）溶解在含有溶剂和醋酸的溶液中，搅拌澄清后获得溶液A；溶液A中，醋酸和硝酸铋的摩尔比为15~20:1；1.2将钛酸丁酯溶液倒入含有溶剂和乙酰丙酮的混合溶液中，搅拌澄清后，获得溶液B，溶液B中，乙酰丙酮和钛酸丁酯的摩尔比例为1~2: 1；1.3将溶液A和溶液B按照摩尔比Bi:Ti=4:3混合，得混合溶液；通过调节溶剂用量，使得混合溶液中Bi和Ti离子的总浓度控制在0.2~0.5mol/l范围内；1.4将获得的混合溶液静置24~48小时后，按照Ti：氨水：硝酸=1:3:3的摩尔比加入氨水和硝酸，即获得BT前驱溶液；2) BT凝胶膜的制备利用步骤1）获得的BT前驱溶液，在镀有Pt、ITO或LaNiO3导电层的Si基底上，通过提拉或旋涂法，制得BT凝胶膜；3）BT凝胶膜的预处理将步骤2）获得的BT凝胶膜，置于250‑300℃的加热板上，利用波长为184‑254nm的紫外灯辐照BT凝胶膜20‑50min，得BT前驱薄膜；4）BT前驱薄膜的终处理将步骤3）获得BT前驱薄膜，置入红外感应加热炉中，快速升温至440‑460℃，并保温30分钟，得BT薄膜；为了增加薄膜厚度，需重复步骤2），步骤3）及步骤4）约5‑6次，即可获得晶化的BT薄膜。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙喁喁，郭巧琴，陈源清，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61