无铅铁电厚膜及制作方法技术

本发明专利技术属于电子功能材料与器件技术领域，提供一种无铅铁电厚膜，该无铅铁电厚膜包括化学通式为Na0.5Bi0.5Ti1‑xMnxO3的材料，其中0＜x≤0.2。通过Mn的掺杂，能够降低漏电流，提高储能密度，有助于晶体的生长取向，使晶相由不利于储能的三方相向四方或伪立方相转变。在外加电场的作用下，Na0.5Bi0.5Ti1‑xMnxO3铁电厚膜弱的铁电性转变为长程有序的铁电相，能够获得较大的极化差值，从而有利于储能密度的增加和储能效率的提高，本发明专利技术无铅铁电厚膜能够提高储能密度、储能效率及稳定性，有利于高功率大容量存储电容器件的开发和应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子功能材料与器件
，尤其涉及一种无铅铁电厚膜及其制备方法。
技术介绍
铁电材料是一种储能材料，具有优良的介电性，被各国的研究者广泛研究，并实现了其应用。但是，铁电材料在制备或应用过程中，通常需要用到铅基材料。然而铅基材料在制备、使用和废弃过程中对生态环境和人类健康造成严重危害，因此研制无铅铁电材料，是关系到我国电子技术可持续发展的紧迫任务之一。而钛酸铋钠Na0.5Bi0.5TiO3(简称NBT)是一类钙钛矿型铁电体，其居里点(Tc)为320℃，因其在室温下具有很强的铁电性，被受研究者关注。并且，随着电子电路微型化和集成化的发展，对电子元器件提出了新的要求。储能电容器作为微电子元器件的关键组成之一，不仅要求其拥有高的储能密度和稳定储能性能，而且还要求其具有适应用于高温高压等极端环境的特性。但是，目前制作的铁电薄膜的厚度较小，储能密度和储能效率较低，其铁电性能容易受地界面、表面等影响，驱动力较小，而且灵敏度低、工作频率窄。并且钛酸铋钠基的储能稳定性差，采用丝网印刷方式，其漏电流较大，不利于其储能，且膜厚度不易控制，造成其击穿电场较低，难以得到实际应用，采用胶体凝胶法制备的无铅铁电厚膜，因受限于临界厚度，其厚度不超过二微米，且胶体性能不稳定，难于在实际中得到应用。因此，如何提高无铅铁电厚膜的储能密度、储能效率及稳定性，并且制备该无铅铁电厚膜，是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种无铅铁电厚膜及其制备方法，能够成功制备具有高储能密度、高储能效率及稳定性强的无铅铁电厚膜。第一方面，本专利技术提供一种无铅铁电厚膜，具体说明如下：本专利技术提供一种无铅铁电厚膜，该无铅铁电厚膜包括化学通式为Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3的材料，其中0＜x≤0.2。进一步地，该无铅铁电厚膜的Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3为稳定胶体，该稳定胶体中掺杂聚乙烯吡咯烷酮。基于上述任意无铅铁电厚膜实施例，进一步地，该无铅铁电厚膜的总厚度为1.2～10微米。本专利技术提供的无铅铁电厚膜包括化学通式为Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3的材料，其中0＜x≤0.2，该无铅铁电厚膜掺杂有Mn，通过Mn的掺杂，能够降低漏电流，提高储能密度，有助于晶体的生长取向，使晶相由不利于储能的三方相向四方或伪立方相转变。在外加电场的作用下，Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3铁电厚膜弱的铁电性转变为长程有序的铁电相，能够获得较大的极化差值，从而有利于储能密度的增加和储能效率的提高。因此，本专利技术无铅铁电厚膜能够提高储能密度、储能效率及稳定性，有利于高功率大容量存储电容器件的开发和应用。第二方面，本专利技术提供一种无铅铁电厚膜制作方法，具体说明如下：本专利技术提供一种无铅铁电厚膜制作方法，具体包括：采用甩胶工艺对基片上LaNiO3胶体进行匀胶，形成LaNiO3湿凝胶膜，甩胶工艺的参数包括：旋转速度为2800～3200转/分，旋转时间为30～40秒；采用第一热处理工艺对LaNiO3湿凝胶膜进行热处理，形成LaNiO3底电极；采用旋涂工艺向LaNiO3底电极涂覆含有聚乙烯吡咯烷酮的Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3稳定胶体，形成Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3湿凝胶膜，旋涂工艺的参数包括：旋转速度为2800～3500转/分，旋转时间为20～40秒；采用第二热处理工艺对Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3湿凝胶膜进行热处理，形成高储能密度无铅铁电厚膜。进一步地，该无铅铁电厚膜制作方法还包括制备Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3稳定胶体，其制备Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3稳定胶体具体包括：按聚乙烯吡咯烷酮：乙酸锰的摩尔比为1-x：x进行配比，其中0＜x≤0.2，将x摩尔(mol)乙酸锰分散到Na0.5Bi0.5Ti1-xO3胶体中，通过恒温磁力搅拌器搅拌，得到Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3稳定胶体。进一步地，该无铅铁电厚膜制作方法还包括制备Na0.5Bi0.5Ti1-xO3胶体，其制备Na0.5Bi0.5Ti1-xO3胶体具体包括：通过恒温磁力搅拌器搅拌盛放于烧杯A中的乙酸钠、乙二醇甲醚；通过恒温磁力搅拌器搅拌盛放于烧杯B中的硝酸铋、乙二醇甲醚；在烧杯A的溶液完全溶解后，向烧杯A中先加入乙酰丙酮和钛酸四正丁酯，搅拌均匀；将烧杯B的溶液倒入烧杯A中，形成Na0.5Bi0.5Ti1-xO3胶体；制备Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3稳定胶体具体包括：按顺序向Na0.5Bi0.5Ti1-xO3胶体中加入x摩尔乙酸锰、1-x摩尔聚乙烯吡咯烷酮，通过恒温磁力搅拌器搅拌，得到Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3稳定胶体，Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3稳定胶体的浓度范围为0.3～0.6mol/L，乙酸钠：硝酸铋：乙酸锰：钛酸四正丁酯摩尔比为1.1：1.1：x：1-x，
乙二醇甲醚：乙酰丙酮的摩尔比为9：2，聚乙烯吡咯烷酮：钛酸四正丁酯摩尔比为1：1。进一步地，该无铅铁电厚膜制作方法还包括制备LaNiO3胶体，其制备LaNiO3胶体具体包括：乙酸镍与硝酸镧按摩尔比1：1量取，去离子水与乙酸按质量比1:5加入烧杯中使溶液浓度达到0.3～0.6mol/L；在100℃条件下，通过恒温磁力搅拌器将溶液进行加热搅拌30～40min，再冷却至室温；以摩尔比1:25的比例，向溶液中加入甲酰胺，得到稳定的胶体；用四层中速定量滤纸进行过滤，得到LaNiO3胶体。进一步地，第一热处理工艺具体参数包括：1s由初始温度升温至160℃，160℃保温5min，1s由160℃升温至400℃，400℃保温6min，1s由400℃升温至700℃，400℃保温4min；第二热处理工艺具体参数包括：140℃～160℃处理3～5min，400℃～420℃处理9～12min，700℃～800℃处理9～12min。进一步地，重复甩胶工艺和第一热处理工艺，直至LaNiO3底电极的厚度达到第一预设厚度，进行温度为700℃、时间为30min的热处理，形成设定厚度的LaNiO3底电极；重复旋涂工艺和第二热处理工艺，直至无铅铁电厚膜的厚度达到第二预设厚度，进行温度为700～800℃、时间为8～12min的热处理，形成设定厚度的无铅铁电厚膜。本专利技术提供的无铅铁电厚膜制作方法，在制备过程中，掺杂Mn，能够增加钛酸铋钠基的稳定性，降低漏电流，提高储能效率，有助于晶体的生长取向，使晶相由不利于储能的三方相向四方或伪立方相转变。在外加电场的作用下，Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3铁电厚膜弱的铁电性转变为长程有序的铁电相，能够获得较大的极化差值，从而有利于储能密度的增加和储能效率的提高。因此，本专利技术提供的无铅铁电厚膜制作方法，能够成功制备具有高储能密度、高储能效率且稳定性强的无铅铁电厚膜。附图说明图1是本专利技术提供的无铅铁电厚膜的XRD图谱；图2是本专利技术提供的无铅铁电厚膜在击穿场强下的P-E图谱；图3是本专利技术提供的无铅铁电厚膜从300kV/cm到其击穿场强的储能密度和储能效率变化图谱。具体实施方式下面通过具体的实施例进一步说明本专利技术，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无铅铁电厚膜，其特征在于，包括：化学通式为Na0.5Bi0.5Ti1‑xMnxO3的材料，其中0＜x≤0.2。

【技术特征摘要】
1.一种无铅铁电厚膜，其特征在于，包括：化学通式为Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3的材料，其中0＜x≤0.2。2.根据权利要求1所述无铅铁电厚膜，其特征在于，所述的Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3为稳定胶体，所述稳定胶体中掺杂聚乙烯吡咯烷酮。3.根据权利要求1或2所述无铅铁电厚膜，其特征在于，所述无铅铁电厚膜的总厚度为1.2～10微米。4.一种无铅铁电厚膜制作方法，其特征在于，包括：采用甩胶工艺对基片上LaNiO3胶体进行匀胶，形成LaNiO3湿凝胶膜，所述甩胶工艺的参数包括：旋转速度为2800～3200转/分，旋转时间为30～40秒；采用第一热处理工艺对所述LaNiO3湿凝胶膜进行热处理，形成LaNiO3底电极；采用旋涂工艺向所述LaNiO3底电极涂覆含有聚乙烯吡咯烷酮的Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3稳定胶体，形成Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3湿凝胶膜，所述旋涂工艺的参数包括：旋转速度为2800～3500转/分，旋转时间为20～40秒；采用第二热处理工艺对所述Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3湿凝胶膜进行热处理，形成无铅铁电厚膜。5.根据权利要求4所述无铅铁电厚膜制作方法，其特征在于，还包括：按聚乙烯吡咯烷酮：乙酸锰的摩尔比为1-x：x进行配比，其中0＜x≤0.2，将x摩尔乙酸锰分散到Na0.5Bi0.5Ti1-xO3胶体中，通过恒温磁力搅拌器搅拌，得到Na0.5Bi0.5Ti1-xMnxO3稳定胶体。6.根据权利要求4或5所述无铅铁电厚膜制作方法，其特征在于，还包括：通过恒温磁力搅拌器搅拌盛放于烧杯A中的乙酸钠、乙二醇甲醚；通过恒温磁力搅拌器搅拌盛放于烧杯B中的硝酸铋、乙二醇甲醚；在所述烧杯A的溶液完全溶解后，向所述烧杯A中先加入乙酰丙酮和钛酸四正丁酯，搅拌均匀；将所述烧杯B的溶液倒入所述烧杯A中，形成Na0.5Bi0.5Ti1-x...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝喜红，王佳恒，李晓伟，张奇伟，孙宁宁，安胜利，
申请(专利权)人：内蒙古科技大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古;15