一种复合KTN薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术属于功能薄膜材料技术领域，具体涉及一种复合KTN薄膜及其制备方法。本发明专利技术采用溶胶

【技术实现步骤摘要】
一种复合KTN薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于功能薄膜材料
，具体涉及一种复合KTN薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]钽铌酸钾(KTN)是一种具有热释电和非线性光学性质的材料，具有优异的电光效应和光折变效应。基于KTN薄膜的热释电器件在降低驱动电压、减小器件尺寸方面更具优势，更能满足未来激光器件小型化、集成化发展的需要。
[0003]溶胶凝胶法因其操作简单广受欢迎。众所周知，随着对薄膜器件微型化，小型化的发展趋势，对薄膜的集成也提出了严格的要求。通常情况下，采用溶胶凝胶法所制备的薄膜，其性能存在局限性。
[0004]因此，为了满足KTN薄膜的工业化发展需求，选择一种制备低成本、产品高性能、符合KTN集成化发展的制备方法是重中之重。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的上述不足，本专利技术提供一种复合KTN薄膜及其制备方法，本专利技术采用溶胶
‑
凝胶法制备具有高性能的KTN复合薄膜，本专利技术通过铁酸铋种子层的添加，以及镧、铁共掺，有效的优化了薄膜性能，此外对原料配比以及工艺参数做了设计和优化，降低生产成本，有利于其工业化应用。
[0006]一方面，本专利技术提供一种复合KTN薄膜，包括KTN薄膜层和种子层；KTN薄膜层材料的分子式为K
1+Z
Ta1‑
X
‑
Y
Nb
Y
M
X
O3，各元素的比例为K:Ta:Nb:M:O＝(1+Z):(1
–
X
‑
Y):Y:X:3，M元素为Fe。
[0007]种子层为掺镧的铁酸铋薄膜Bi1‑
n+m
LanFeO3，即各元素的比例分别为Bi:La:Fe:O＝1
‑
n+m:n:1:3。
[0008]其中X为M元素的摩尔当量，0.06≤X≤0.10，Y为Nb元素的摩尔当量，0.48≤Y≤0.66，元素K过量加入，Z为8％
‑
10％；其中n为La元素的摩尔当量，0.05≤n≤0.15，其中0.05≤n≤0.10时，0.05≤m≤0.08；其中0.10＜n≤0.15时，0.02≤m＜0.05。
[0009]进一步的，KTN薄膜层包括N个薄膜子层，8≤N≤17，当8≤N≤12时，种子层的层数为2；当13≤N≤17，种子层层数为3。
[0010]进一步的，钾源、钽源、铌源分别为碳酸钾、氧化钽、氧化铌；镧源、铋源、铁源分别为硝酸镧、硝酸铋、硝酸铁。
[0011]另一方面，本专利技术提供一种制备上述复合KTN薄膜的方法，包括以下步骤：
[0012]1.前驱体溶液的制备:
[0013](1)钽铌酸钾基前驱体溶液的制备：采用溶胶
‑
凝胶法，按化学计量比称取碳酸钾、氧化钽、氧化铌、硝酸铁溶于异丙醇中，待完全溶解后得混合溶液A，将混合溶液A搅拌40min后，向其加入乙醇，配制成前驱体溶液，将配制好的前驱体溶液，放置于温度19
‑
22℃环境中静置6
‑
8h备用，前驱体溶液的浓度为0.39mol/L～0.45mol/L，异丙醇、乙醇的体积比为6:5。
[0014](2)种子层铁酸铋基前驱体溶液的制备：采用溶胶
‑
凝胶法，按化学计量比称取硝酸铋、硝酸铁溶于异丙醇，待完全溶解后依次加入硝酸镧，得混合溶液A，将混合溶液A搅拌20min后，向其加入乙二醇甲醚，配制成前驱体溶液，将配制好的前驱体溶液，放置于温度19
‑
22℃环境中静置5h备用，前驱体溶液的浓度为0.43mol/L～0.5mol/L，异丙醇、乙二醇甲醚的体积比为4:3。
[0015]2.种子层材料的制备：采用层层退火工艺，用旋涂法将种子层前驱体溶液沉积在ITO/玻璃衬底材料上，然后将材料放置在热板上烘干，将烘干的薄膜置于快速退火炉中进行二段式退火处理；然后按照相同的方法将其它层材料沉积在各自下层材料之上，反复旋涂与退火步骤数次直到种子层数符合要求。
[0016]3.薄膜材料的制备：采用层层退火工艺，用旋涂法将钽铌酸钾基前驱体溶液沉积种子层材料之上，然后将材料放置在热板上烘干，将烘干的薄膜置于快速退火炉中进行二段式退火处理；然后按照相同的方法将其它层材料沉积在各自下层材料之上，反复旋涂与退火步骤数次直到薄膜厚度符合要求。
[0017]4.将步骤3达到厚度要求的薄膜在575℃～600℃范围内退火4min，得到镧、铁共掺的复合钽铌酸钾薄膜。
[0018]上述制备方法中，步骤2中的烘干温度为155
‑
180℃，烘干时间为100s
‑
120s；优选烘干温度为162℃，烘干时间为110s；
[0019]步骤2中二段式退火处理过程为245
‑
285℃，50
‑
80s，485
‑
535℃，60
‑
90s；优选退火处理过程为268℃，75s，515℃，75s；
[0020]步骤2中旋涂匀胶速度为3700
‑
3900rpm，时间为20
‑
40s。
[0021]上述制备方法中，步骤3中的烘干温度为165
‑
205℃，烘干时间为50s
‑
80s；优选烘干温度为178℃，烘干时间为65s；
[0022]步骤3中二段式退火处理过程为295
‑
315℃，90
‑
120s，555
‑
585℃，180
‑
220s；优选退火处理过程为305℃，105s，568℃，195s；
[0023]步骤3中旋涂匀胶速度为4500
‑
5000rpm，时间为25
‑
35s。
[0024]本专利技术的有益效果在于：
[0025](1)本专利技术采用溶胶
‑
凝胶的方法，改变了传统的钽铌酸钾薄膜制备成本高的问题，使用该制备方法，在ITO/玻璃衬底上制备了择优度高的钽铌酸钾薄膜，降低生产成本，有利于其工业化应用。
[0026](2)本专利技术采用铁酸铋种子层，且实现了铁和镧离子的掺杂，薄膜均匀性好，有效的优化了钽铌酸钾薄膜的质量。
[0027](3)本专利技术优化退火工艺，采用层层退火工艺，通过调控退火参数，改善薄膜性能，该复合KTN薄膜呈现饱和的电滞回线，漏电流低，极化强度高达35μC/cm2，表现出优异的电学性能，满足未来激光器件小型化、集成化发展等的需要。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]图1是本专利技术实施例7的XRD图。
[0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合KTN薄膜，其特征在于:包括KTN薄膜层和种子层；所述KTN薄膜层材料的分子式为K
1+Z
Ta1‑
X
‑
Y
Nb
Y
M
X
O3，各元素的比例为K:Ta:Nb:M:O＝(1+Z):(1
–
X
‑
Y):Y:X:3，M元素为Fe；种子层为掺镧的铁酸铋薄膜Bi1‑
n+m
LanFeO3，即各元素的比例分别为Bi:La:Fe:O＝1
‑
n+m:n:1:3；其中X为M元素的摩尔当量，0.06≤X≤0.10，Y为Nb元素的摩尔当量，0.48≤Y≤0.66，元素K过量加入，Z为8％
‑
10％；其中n为La元素的摩尔当量，0.05≤n≤0.15，当0.05≤n≤0.10时，0.05≤m≤0.08；当0.10＜n≤0.15时，0.02≤m＜0.05。2.根据权利要求1所述的复合KTN薄膜，其特征在于:所述KTN薄膜层包括N个薄膜子层，且8≤N≤17；当8≤N≤12时，种子层的层数为2；当13≤N≤17，种子层的层数为3。3.根据权利要求1所述的复合KTN薄膜，其特征在于:钾源、钽源、铌源分别为碳酸钾、氧化钽、氧化铌；镧源、铋源、铁源分别为硝酸镧、硝酸铋、硝酸铁。4.一种制备权利要求1
‑
3任一项所述复合KTN薄膜的方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)前驱体溶液的制备:1.1钽铌酸钾基前驱体溶液的制备：采用溶胶
‑
凝胶法，按化学计量比称取碳酸钾、氧化钽、氧化铌、硝酸铁溶于异丙醇中，待完全溶解后得混合溶液A，将混合溶液A搅拌后，向其加入乙醇，配制成前驱体溶液，将配制好的前驱体溶液，静置备用；1.2种子层铁酸铋基前驱体溶液的制备：采用溶胶
‑
凝胶法，按化学计量比称取硝酸铋、硝酸铁溶于异丙醇，待完全溶解后依次加入硝酸镧，得混合溶液A，将混合溶液A搅拌后，向其加入乙二醇甲醚，配制成前驱体溶液，将配制好的前驱体溶液，静置备用；(2)种子层材料的制备：采用层层退火工艺，用旋涂法将种子层前驱体溶液沉积在ITO/玻璃衬底材料上，然后将材料放置在热板上烘干，将烘干的薄膜置于快速退火炉中进行二段式退火处理；然后按照相同的方法将其它层材料沉积在各自下层材料之上，反复旋涂与退火步骤数次直到种子层数符合要求；(3)薄膜材料的制备：采用层层退火工艺，用旋涂法将钽铌酸钾基前驱体溶液沉积种子层材料之上，然后将材料放置在热板上烘干，将烘干的薄膜置于快速退火炉中进行二段式退火处理；然后按照相同的方法将其它层材料沉积在各自下层材料之上，反复旋涂与退火步骤数次直到薄膜厚度符合要求；(4)将步骤(3)达到厚度要求的薄膜在575℃～600℃范围内退火4min，得到镧、铁共掺的复合钽铌酸钾薄膜。5.根据权利要求4所述的制备复合KTN薄膜的方法，其特征在于：步骤(2)中的烘干温度为155
‑
180℃，烘干时间为100s
‑
120s；步骤(2)中二段式退火处理过程为245
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285℃，50
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80s，485
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535℃，60
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90s；步骤(2)中旋涂匀胶速度为3700
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3900rpm，时间为20
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40s；步骤(3)中的烘干温度为165
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205℃，烘干时间为50s
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80s；步骤(3)中二段式退火处理过程为295
‑
315℃，90
‑
120s，5...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱程程，王旭平，刘冰，禹化健，杨玉国，吕宪顺，
申请(专利权)人：山东省科学院新材料研究所，
类型：发明
国别省市：