一种镨、铁共掺杂的钛酸锶多铁性薄膜及其制备工艺制造技术

一种镨、铁共掺杂的钛酸锶多铁性薄膜及其制备工艺，钛酸锶薄膜由分子式为Sr1-xPrxTi1-yFeyO3的材料组成，其中，0.025≤x≤0.075，0.05≤y≤0.3；制备工艺：按分子式的摩尔比称取乙酸锶、氧化镨、钛酸丁酯和硝酸铁，分为两个步骤用乙酸和乙二醇甲醚溶解乙酸锶和钛酸丁酯，用乙二醇甲醚溶解硝酸铁，用浓硝酸与氧化镨反应，最终混合形成浓度为0.2mol/L的溶液C，将溶液C在甩胶机中甩胶，然后烘干和热分解，至干膜厚度达到300nm，退火得Sr1-xPrxTi1-yFeyO3薄膜。本发明专利技术通过镨、铁共掺杂所诱导出钛酸锶的铁电性和磁性出现在室温附近，实现了一种新的单相多铁材料的制备。

Praseodymium Iron Co doped strontium titanate multiferroic film and preparation process thereof

A strontium titanate praseodymium and Iron Co doped multiferroic thin film and its preparation process, strontium titanate thin films by molecular formula composition, Sr1-xPrxTi1-yFeyO3 material, 0.025 = x = 0.075, y = 0.05 ~ 0.3; preparation process: according to the molar ratio of the molecular formula of the strontium acetate and tetrabutyl titanate, praseodymium oxide and iron nitrate, is divided into two steps with acetic acid and ethylene glycol monomethyl ether dissolved strontium acetate and tetrabutyl titanate, using ethylene glycol monomethyl ether dissolved ferric nitrate, reaction with concentrated nitric acid and praseodymium oxide, the final concentration of C 0.2mol/L mixed solution, the solution of C in spinning machine in spinning, then drying and thermal decomposition dry film thickness, to reach 300nm, annealing of Sr1-xPrxTi1-yFeyO3 thin film. In the invention, the ferroelectricity and magnetism of strontium titanate induced by praseodymium and Iron Co doping appear near the room temperature, and a new single-phase multiferroic material is prepared.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料科学
中多铁性薄膜的制备，具体的说是一种镨、铁共掺杂的钛酸锶多铁性薄膜及其制备工艺。
技术介绍
单相多铁性材料是指同时表现出铁电性和磁性的单相化合物。由于各种铁性同处于一个体系中，它们之间不可避免将发生相互作用，从而可以实现不同功能间的互相调控，具有丰富的物理背景以及巨大的应用前景，因此成为最近几年凝聚态物理研究领域的热点之一。目前绝大多数材料只在极低温下才表现出铁电性和磁性的共存，主要是一些锰氧化物，例如：BiMnO3、YMnO3和HoMnO3等，这些材料磁转变温度都在100K以下，而且由于合成困难、制备成本高、需要高温高压等条件限制，离实际应用还有一定的距离。在所有的单相多铁材料中，BiFeO3是最有希望得到应用的材料之一，其主要优点在于具有很高的铁电居里温度和反铁磁转变温度，是目前为止几乎唯一的同时在室温以上表现出铁电性和磁性的材料。但它也存在合成困难问题，并且由于样品中Bi挥发引起Fe变价和非化学计量比以及存在各种杂相等原因，BiFeO3有很大漏电流，这使得BiFeO3优异的性能特别是电滞回线难以呈现。因此，获得一种制备工艺简单且在室温下具有良好性能的单相多铁性材料，依然是亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有单相多铁性材料相变温度低、合成困难和成本高等问题，提供一种镨、铁共掺杂的钛酸锶多铁性薄膜及其制备工艺，制备工艺简单，且制备的钛酸锶多铁性薄膜能够在室温下能够表现出铁电性和磁性。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案为：一种镨、铁共掺杂的钛酸锶多铁性薄膜，由分子式为Sr1-xPrxTi1-yFeyO3的材料组成，其中，x的取值范围为0.025≤x≤0.075，y的取值范围为0.05≤y≤0.3。一种镨、铁共掺杂的钛酸锶多铁性薄膜的制备工艺，包括以下步骤：步骤一、按Sr：Pr：Ti：Fe=（1-x）：x：（1-y）：y的摩尔比分别称取乙酸锶、氧化镨、钛酸丁酯和硝酸铁，备用；步骤二、取容器将步骤一称取的乙酸锶全部溶解于乙酸中至形成透明无色溶液，其中，所加乙酸的体积与乙酸锶总重量的比例为4mL：1g，然后在溶液中加入乙二醇甲醚，使溶液中乙酸锶的摩尔浓度达到0.6~0.7mol/L，搅拌20~40min，然后再加入步骤一所称取的钛酸丁酯，搅拌20~40min，形成溶液A，备用；步骤三、另取容器将步骤一称取的硝酸铁全部溶解于乙二醇甲醚中至形成透明无色溶液，其中，所加乙二醇甲醚的体积与硝酸铁总重量的比例为1.2mL：1g，搅拌20~40min后将其混合溶液加入到溶液A中，形成溶液B，备用；步骤四、另取容器将步骤一称取的氧化镨全部溶解于质量百分比浓度为65~68%的浓硝酸中，其中，浓硝酸和乙酸的体积比为1：3.5，搅拌0.5~1h后，将其混合溶液加入到溶液B中，再取适量的乙二醇甲醚分别清洗步骤三和步骤四的容器，并将清洗液倒入到溶液B中，再在溶液B中加入乙二醇甲醚，使溶液B中乙酸锶的摩尔浓度达到0.2mol/L，然后搅拌6~8h，过滤得溶液C，备用；步骤五、将步骤四制备的溶液C滴在放置在甩胶机中的洁净的镀铂硅衬底上，设置甩胶机的甩胶速度为3000~4000rpm，甩胶时间为25~35s，制得Sr1-xPrxTi1-yFeyO3湿膜，将制得的Sr1-xPrxTi1-yFeyO3湿膜在200℃下烘干5min后，在350℃下进行热分解5min，制得Sr1-xPrxTi1-yFeyO3干膜，在制得的Sr1-xPrxTi1-yFeyO3干膜上继续滴加溶液C，并依次重复上述甩胶、烘干和热分解过程，直至Sr1-xPrxTi1-yFeyO3干膜厚度达到300nm，然后在700~750℃的管式炉中、氮气气氛下退火50~60min，得到Sr1-xPrxTi1-yFeyO3薄膜。本专利技术中，乙酸锶的纯度为99.2%，钛酸丁脂的纯度为98%，氧化镨纯度为99.5%，硝酸铁纯度为99%，乙二醇甲醚的纯度为99%。本专利技术中，锶元素和镨元素摩尔比为：0.975/0.025~0.925/0.075；钛元素和铁元素的摩尔比为：0.95/0.05~0.7/0.3；由于Sr1-xPrxTi1-yFeyO3薄膜的特性随着掺杂元素Pr和Fe的浓度不同而不同，当掺杂浓度过低时，即x和y的值偏小时，钛酸锶难以出现铁电性和磁性；当掺杂浓度过高时，即x的值偏大时，极化会随Pr含量的增加而减小，这与Pr元素含量不同，Pr3+/Pr4+的相对比例的变化有关。部分半径为0.9埃的Pr4+离子会占据半径为0.68埃的Pr4+离子位置，由此所造成的晶胞增大，能够补偿Pr3+/Pr4+离子占据Sr2+位所导致的晶格参数的减小，从而抑制了极化；y的值偏大时，铁离子增多，Fe2+和Fe3+之间的电子跃迁会造成样品中漏电流增加，也使得薄膜铁电性难以出现。有益效果：（1）、本专利技术采用金属有机物分解法，通过镨、铁共掺杂同时诱导出钛酸锶的铁电性和磁性，实现了一种新的单相多铁材料的制备，与传统单相多铁性材料相比具有制备工艺简单、成本较低的特点；（2）、本专利技术所诱导出钛酸锶的铁电性和磁性出现在室温附近，与传统的单相多铁性材料仅能在低温下才能同时出现铁电性和磁性相比，具有良好的应用前景；（3）、本专利技术中的乙酸锶、氧化镨、钛酸丁脂和硝酸铁分别作为锶元素、镨元素、钛元素和铁元素的前驱物，乙酸、乙二醇甲醚和浓硝酸作为溶剂，本专利技术给出了各溶剂的添加比例和配置溶液C的步骤，这使得溶液C的酸性、稳定性和黏度等达到最佳状态，从而提高了所制得的薄膜相的均匀性和致密度性，达到稳定溶液改善薄膜烧结性能的目的。附图说明图1为实施例1、2和3制备的镨、铁共掺杂的钛酸锶XRD图；图2为实施例1、2和3制备的镨、铁共掺杂的钛酸锶室温下测量的电滞回线图；图3为实施例1、2和3制备的镨、铁共掺杂的钛酸锶室温下测量的磁滞回线图。附图标记：C1为实施例1制得的样品，C2为实施例2制得的样品，C3为实施例3制得的样品。具体实施方式一种镨、铁共掺杂的钛酸锶多铁性薄膜，由分子式为Sr1-xPrxTi1-yFeyO3的材料组成，其中，x的取值范围为0.025≤x≤0.075，y的取值范围为0.05≤y≤0.3。实施例1一种镨、铁共掺杂的钛酸锶多铁性薄膜的制备工艺，包括以下步骤：步骤一、按摩尔比称取0.0039078mol的乙酸锶和0.0000167mol的氧化镨（Pr6O11），锶和镨元素摩尔比为Sr/Pr=0.975/0.025；按摩尔比称取0.036mol的钛酸丁脂和0.004mol的硝酸铁，钛和铁元素的摩尔比为Ti/Fe=0.9/0.1，备用；步骤二、将步骤一称取的乙酸锶全部溶解于乙酸中至形成透明无色溶液，其中，所加乙酸的体积与乙酸锶总重量的比例为4mL：1g，然后加入乙二醇甲醚，使溶液中乙酸锶的摩尔浓度达到0.6mol/L，搅拌30min，然后再加入步骤一所称取的钛酸丁酯，搅拌30min，形成溶液A，备用；步骤三、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镨、铁共掺杂的钛酸锶多铁性薄膜，其特征在于：由分子式为Sr1‑xPrxTi1‑yFeyO3的材料组成，其中，x的取值范围为0.025≤x≤0.075，y的取值范围为0.05≤y≤0.3。

【技术特征摘要】
1.一种镨、铁共掺杂的钛酸锶多铁性薄膜，其特征在于：由分子式为Sr1-xPrxTi1-yFeyO3的材料组成，其中，x的取值范围为0.025≤x≤0.075，y的取值范围为0.05≤y≤0.3。
2.根据权利要求1所述的一种镨、铁共掺杂的钛酸锶多铁性薄膜的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、按Sr：Pr：Ti：Fe=（1-x）：x：（1-y）：y的摩尔比分别称取乙酸锶、氧化镨、钛酸丁酯和硝酸铁，备用；
步骤二、取容器将步骤一称取的乙酸锶全部溶解于乙酸中至形成透明无色溶液，其中，所加乙酸的体积与乙酸锶总重量的比例为4mL：1g，然后在溶液中加入乙二醇甲醚，使溶液中乙酸锶的摩尔浓度达到0.6~0.7mol/L，搅拌20~40min，然后再加入步骤一所称取的钛酸丁酯，搅拌20~40min，形成溶液A，备用；
步骤三、另取容器将步骤一称取的硝酸铁全部溶解于乙二醇甲醚中至形成透明无色溶液，其中，所加乙二醇甲醚的体积与硝酸铁总重量的比例为1.2mL：1g，搅拌20~40min后将其混合溶液加入到溶液A中，形成溶液B，备用；
步骤四、另取容器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓飞，李新忠，胡秋波，王赵武，张超，周锋子，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南;41