一种铋掺杂钛酸锶薄膜电容器及其制备方法技术

本发明专利技术属于功能材料技术领域，涉及一种铋掺杂钛酸锶电容器及其制备方法，用醋酸锶、硝酸铋、四异丙醇钛、醋酸、乙二醇甲醚、乙酰丙酮、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)和乙二醇作原料，按Sr

【技术实现步骤摘要】
一种铋掺杂钛酸锶薄膜电容器及其制备方法
本专利技术涉及一种电容器材料，尤其是一种铋掺杂钛酸锶薄膜电容器材料及其制备方法。
技术介绍
储能电容器及其设备主要朝着轻量化、小型化、高绝缘性以及储能密度高的方向发展，因此储能电介质应具有较高介电常数、较低介电损耗和较强的耐压性能。Sol-gel法制备薄膜具有成本低廉、薄膜均匀度高、化学计量比精确、操作简便、易于掺杂等优点，成为制备钛酸锶基薄膜的一种重要手段，而制备稳定的溶胶是sol-gel法制备薄膜的前提和关键。为了进一步提高钛酸锶的介电性能，现有技术中通常采用掺杂的方法。三价铋离子取代SrTiO3薄膜中的二价锶离子，由于电荷不平衡需要进行电荷补偿。Bi3+离子半径为0.103nm，略小于Sr2+(0.118nm)离子半径，和大于Ti4+(0.068nm)的离子半径，根据容差因子法则，两离子半径越接近取代的机率越大，故Bi3+作为施主掺杂优先取代A位的Sr2+离子。由于不等价掺杂造成电荷不平衡，所以需要进行电荷补偿。也就是说每两个Bi离子取代Sr时，会在A位产出一个Sr离子空位。而阳离子空位缺陷在室温下不具有传导特性，薄膜仍然是绝缘体。钛酸锶薄膜电容器的介电性能除了与薄膜内部优化的结构以及高质量的稳定溶胶密切有关外，还与电极材料有关。溶胶凝胶制备出的薄膜接触到潮湿的空气会吸附水分子，影响了电容器的使用寿命，所以通常会选用铝电极作为上电极。当电容器在干燥的环境下使用，尤其是作为航空材料，选用金电极即可。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种漏导电流低，耐压值高，介电损耗小的铋掺杂钛酸锶薄膜电容器及其制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种铋掺杂钛酸锶薄膜电容器，其特征在于，该电容器的化学通式如式I所示：Sr1-1.5xBixTiO3式I其中，x＝0,2,5,10,15mol％。一种铋掺杂钛酸锶薄膜电容器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)制备铋掺杂钛酸锶溶胶前驱体：(1-1)制备钛源：将四异丙醇钛溶解在乙二醇甲醚中，40～60℃下搅拌20min，加入乙酰丙酮，保持温度在40～60℃下继续搅拌30min，得到钛源；(1-2)制备铋源：将硝酸铋溶解在冰醋酸中，于40～50℃搅拌20～30min；(1-3)将步骤(1-1)制得的钛源缓慢滴加至步骤(1-2)制得的铋源，并在40～60℃下搅拌5～20min，加入乙二醇，保持温度在40～60℃下搅拌2～4h，冷却至室温，得到钛酸铋溶胶前驱体，并陈化20～24h；(1-4)制备锶源：将醋酸锶溶解在冰醋酸中，于70～90℃搅拌0.5～2h，温度缓慢降至40～60℃后加入PVP的冰醋酸溶液，在40～60℃下继续搅拌20～60min，得到锶源；(1-5)制备钛源：将四异丙醇钛溶解在乙二醇甲醚中，40～60℃下搅拌20～60min，加入乙酰丙酮，保持温度在40～60℃下继续搅拌0.5～2h，得到钛源；(1-6)将步骤(1-5)制得的钛源缓慢滴加至步骤(1-4)制得的锶源，并在40～60℃下搅拌5～30min，加入乙二醇搅拌5～30min，加入步骤(1-3)得到的钛酸铋溶胶，保持温度在40～60℃下继续搅拌2～4h，冷却至室温，将澄清液过滤后，得到铋掺杂钛酸锶溶胶前驱体；(2)将铋掺杂钛酸锶溶胶前驱体涂覆在带有电极的基体表面，进行此过程7-9次，每次涂覆后进行热处理，得到所需的薄膜；(3)将步骤(2)所配置的薄膜在500～550℃的温度下通氧气退火处理2～4h，制得活性钛酸锶铋薄膜；(4)在步骤(3)所制得的活性钛酸锶铋薄膜，使用离子溅射法或蒸发镀膜法制备上电极，得到铋掺杂钛酸锶薄膜电容器。优选地，步骤(1-3)所述钛源缓慢滴加至铋源中加入的钛源的Ti4+与铋源中的Bi3+的摩尔比为1:1.5；步骤(1-6)所述钛源缓慢滴加至锶源中加入的钛源的Ti4+与锶源中的Sr2+的摩尔比为1:1。最终混合后符合化学反应配比和化学计量比，节省原料。步骤(1-1)中每0.3mmol四异丙醇钛，加入乙二醇甲醚8ml，加入乙酰丙酮0.3ml；步骤(1-3)中乙二醇加入0.6ml；步骤(1-5)中乙二醇甲醚加入16ml；酰丙酮加入0.7ml；步骤(1-6)中乙二醇加入1.4ml。步骤(1-3)和(1-6)中加入的乙二醇用于调节生成的铋掺杂钛酸锶溶胶前驱体的粘度，而胶体的粘度与每一层介质薄膜的厚度以及薄膜的平滑度有关，在所述的乙二醇用量下，涂覆方便且膜的平滑度好，较为合适。步骤(2)所述的铋掺杂钛酸锶溶胶前驱体以3000～4000转/分钟的转速甩胶20～30秒涂覆在带有电极的基体表面。步骤(2)所述的热处理的条件为190～240℃处理3～7min，升温至330～380℃处理3～7min，继续升温至450～500℃处理3～7min，然后降温至240～380℃处理3～7min，继续降温至190～240℃处理3～7min。步骤(3)所述的活性钛酸锶铋薄膜的厚度为200～350nm。热处理过程中使薄膜中的有机物充分燃烧分解，使得该薄膜更加致密光滑。本专利技术的提供了铋掺杂钛酸锶薄膜电容器的制备方法。常温下SrTiO3是顺电体，具有良好的偏压特性和频率稳定性特征；同时，SrTiO3还是一种先兆性的铁电体材料，由于量子起伏的缘故其铁电相被抑制住，因而在低温环境下SrTiO3仍然保持顺电态，在较宽的温度范围内都不存在结构上的相变产生，从而介电性能不会像铁电体那样存在突变，具有良好的温度稳定性。近年来，SrTiO3基薄膜被认为是极具潜力的中高压固态高密度储能介质材料体系之一。钛酸锶的储能密度的计算公式为U＝1/2·ε·E2，其中U表示储能密度，ε表示介电常数，E表示击穿场强。因此储能密度与介电常数成正比，与击穿场强的平方成正比。根据电介质的基础理论，进一步提高SrTiO3薄膜电容器耐电压强度是提高其储能密度的有效途径之一，以及保持较低的介质损耗来提高今后使用的效率。我们通过在钛酸锶结构中掺入铋离子，并选择合适的电极，提高了钛酸锶薄膜的耐压强度，降低了漏导电流和介质损耗。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、结构、制备工艺简单，易于批量生产。2、原料成本低廉，极大地降低了生产成本。3、内部不含液态电介质，提高了安全性和可靠性。4、漏导电流低，储能密度较高，可微型化，小型化并应用于集成电路。附图说明图1是本专利技术流程示意图；图2是电容器在潮湿空气下电性能测试装备图；图3是电容器在真空下电性能测试装备图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行说明：本专利技术提供了一种铋掺杂钛酸锶薄膜电容器材料，铋掺杂钛酸锶的化学通式如式I所示：Sr1-1.5xBixTiO3式I其中，x＝0,2,5,10,15mol％。本专利技术电容器选用Pt为下电极，Au或Al为上电极。下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1以铋的掺杂量为2％制备Sr0.97Bi0.02TiO3，其制备流程如图1所示：a、按Bi和Ti的摩尔比为1:1.5分别称取硝酸铋和四异丙醇钛0.0002、0.0003mol；将称取四异丙醇钛溶解在8ml乙二醇甲醚中，50℃下搅拌15min，加入0.3ml乙酰丙酮，50℃下继续搅拌0.5h；将硝酸铋溶解在冰醋酸中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铋掺杂钛酸锶薄膜电容器，其特征在于，该电容器的化学通式如式I所示：Sr

【技术特征摘要】
1.一种铋掺杂钛酸锶薄膜电容器，其特征在于，该电容器的化学通式如式I所示：Sr1-1.5xBixTiO3式I其中，x＝0,2,5,10,15mol％。2.一种如权利要求1所述铋掺杂钛酸锶薄膜电容器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)制备铋掺杂钛酸锶溶胶前驱体：(1-1)制备钛源：将四异丙醇钛溶解在乙二醇甲醚中，40～60℃下搅拌15～20min，加入乙酰丙酮，保持温度在40～60℃下继续搅拌30min，得到钛源；(1-2)制备铋源：将硝酸铋溶解在冰醋酸中，于40～50℃搅拌20～30min；(1-3)将步骤(1-1)制得的钛源缓慢滴加至步骤(1-2)制得的铋源，并在40～60℃下搅拌5～20min，加入乙二醇，保持温度在40～60℃下搅拌2～4h，冷却至室温，得到钛酸铋溶胶前驱体，并陈化20～24h；(1-4)制备锶源：将醋酸锶溶解在冰醋酸中，于70～90℃搅拌0.5～2h，温度缓慢降至40～60℃后加入PVP的冰醋酸溶液，在40～60℃下继续搅拌20～60min，得到锶源；(1-5)制备钛源：将四异丙醇钛溶解在乙二醇甲醚中，40～60℃下搅拌20～60min，加入乙酰丙酮，保持温度在40～60℃下继续搅拌0.5～2h，得到钛源；(1-6)将步骤(1-5)制得的钛源缓慢滴加至步骤(1-4)制得的锶源，并在40～60℃下搅拌5～30min，加入乙二醇搅拌5～30min，加入步骤(1-3)得到的钛酸铋溶胶，保持温度在40～60℃下继续搅拌2～4h，冷却至室温，将澄清液过滤后，得到铋掺杂钛酸锶溶胶前驱体；(2)将铋掺杂钛酸锶溶胶前驱体涂覆在带有电极的基体表面，进行此过程7-9次，每次涂覆后进行热处理，得到所需的薄膜；(3)将步骤(2)所...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚曼文，李秋霞，李菲，彭勇，苏振，姚熹，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31