一种锌、钛共掺的铁酸铋薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术属于无机功能薄膜材料技术领域，尤其涉及一种锌、钛共掺的铁酸铋薄膜及其制备方法。其化学通式为Bi

【技术实现步骤摘要】
一种锌、钛共掺的铁酸铋薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于无机功能薄膜材料
，尤其涉及一种锌、钛共掺的铁酸铋薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来随着微机电系统(MEMS)、传感器及随机存储器等行业的迅速发展，具备优异的铁电和压电性能的薄膜材料已经成为目前研究领域的热点之一。
[0003]BiFeO3(BFO)薄膜因其优异的压电铁电性能受到人们的广泛关注，成为可以与铅系材料相媲美的一类无铅铁电环保材料。但是要想使BFO薄膜能应用于未来的器件中，必须解决两大问题：漏电和低剩余极化强度问题。据报道，引入高价离子和镧系稀土元素可以解决BFO薄膜中存在的上述问题。但是目前采用的溶胶凝胶工艺，引入掺杂离子的掺量比较低，对薄膜中氧空位的抑制作用比较有限，对降低薄膜漏电流和提高电学性能的作用有限。所以如何提高掺杂离子是解决上述问题的关键问题。
[0004]与此同时，研究者尝试采用单晶衬底降低薄膜中的缺陷以达到提高薄膜电学性能的目的。但是众所周知，单晶衬底的成本较高，对薄膜的未来的器件应用也是较大的制约。
[0005]综上所述，寻求一种低成本提高BFO电学性能和降低漏电流方法是重中之重。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术中存在的上述技术问题，提出一种能够解决漏电流问题和提高薄膜的电学性能的锌、钛共掺的铁酸铋薄膜及其制备方法。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种锌、钛共掺的铁酸铋薄膜，其特征在于，其化学通式为Bi
(1+Z)
Fe
(1
‑
X
‑
Y)
Zn
Y
Ti
X
O3，其中，X为Ti元素的摩尔当量，0.13≤X≤0.16，Y为Zn元素的摩尔当量，0.05≤Y≤0.08，元素Bi过量加入，Z为Bi以重量计的过量百分数，所述薄膜共N层，第一层至第三层中Z为5％
‑
10％，第四层至第N
‑
3层中Z为15％
‑
20％，第N
‑
2层至第N层中Z为11％
‑
16％；铋源为硝酸铋，锌源为硝酸锌，铁源为硝酸铁，钛源为异丙醇钛。
[0009]作为优选，所述薄膜的层数15≤N≤18，每层所述薄膜的厚度为60nm
‑
90nm。
[0010]作为优选，X:Y的范围为1.7～3.2，X的范围为0.14～0.15，Y的范围为0.05～0.07。
[0011]上述锌、钛共掺的铁酸铋薄膜的制备方法，采用溶胶
‑
凝胶法，具体包括如下步骤：
[0012]S1、前驱体溶液的制备：
[0013]按化学计量比称取硝酸锌、硝酸铁溶于乙醇中，待完全溶解后，向溶液中加入乙二醇，得混合溶液A；
[0014]向混合溶液A中依次加入硝酸铋、异丙醇钛和乙酰丙酮，得混合溶液B，将混合溶液B搅拌1h后，再次向所述混合溶液B中加入乙醇，配制成前驱体溶液，将配制好的所述前驱体溶液，放置于温度15
‑
18℃环境中静置18
‑
24h备用；
[0015]S2、薄膜材料的制备：
[0016]采用层层退火工艺，用旋涂法将第一层前驱体溶液沉积在M：KTN晶片，然后将所述晶片放置在热板上烘干，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，重复上述旋涂与退火步骤数次直到薄膜厚度符合要求；
[0017]S3、退火：
[0018]将步骤S2所得薄膜材料在465℃～525℃范围内退火5min，得到锌、钛共掺的铁酸铋薄膜。
[0019]作为优选，步骤S1中，所述前驱体溶液的浓度为0.38mol/L～0.42mol/L，乙二醇、乙酰丙酮、乙醇的体积比2:1:7，其中制备所述混合溶液A时加入乙醇与制备所述混合溶液B时加入乙醇的体积比为3:4。
[0020]作为优选，步骤S2中，所述M：KTN晶片为M：KTN(M:KTa1‑
t
Nb
t
O3)，其中，Nb组分为0<t<0.37，晶相为立方，M为Fe、Sn、Ti、Li、Na、Mn单掺或混合多掺离子，M的含量为7
‑
12at％，晶片面型大于λ/8，均方根粗糙度小于10nm。
[0021]作为优选，M为Ti、Na、Mn单掺或混合多掺离子，M的含量为10at％，均方根粗糙度小于5nm。
[0022]作为优选，步骤S2中，烘干温度为140
‑
180℃，烘干时间为80s
‑
100s。
[0023]作为优选，步骤S2中，所述的二段式退火处理过程为：第一段225
‑
255℃，90
‑
120s；第二段：425
‑
475℃，100
‑
120s；
[0024]作为优选，步骤S2中，所述旋涂法的旋涂匀胶速度为4700
‑
5000rpm，时间为25
‑
35s。
[0025]与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：提供一种锌、钛共掺的铁酸铋薄膜及其制备方法，铁酸铋薄膜具有高透过率，成本低，操作简单，更有利于其未来工业化应用；
[0026]首次在KTN晶体上获得了择优度高的铁酸铋薄膜；
[0027]本专利技术的退火温度低，退火时间短，较大的降低了退火过程中的能耗，符合工业生产的环保方针。
附图说明
[0028]图1为本专利技术实施例1制备的铁酸铋薄膜的XRD图谱；
[0029]图2为本专利技术实施例2制备的铁酸铋薄膜的电滞回线图谱；
[0030]图3为本专利技术实施例3制备的铁酸铋薄膜的透光率图谱。
具体实施方式
[0031]下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0032]实施例1
[0033]一种锌、钛共掺的铁酸铋薄膜Bi
(1+Z)
Fe
0.8
Zn
0.05
Ti
0.15
O3，其中，Ti元素的摩尔当量X
为0.15，Zn元素的摩尔当量Y为0.05，元素Bi过量加入，Z为Bi以重量计的过量百分数，薄膜共16层，第1层至第3层中Z为7％，第4层至第13层中Z为16％，第14层至第16层中Z为12％。
[0034]采用溶胶
‑
凝胶法制备上述Bi
(1+Z)
Fe
0.8
Zn
0.05
Ti
0.15
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锌、钛共掺的铁酸铋薄膜，其特征在于，其化学通式为Bi
(1+Z)
Fe
(1
‑
X
‑
Y)
Zn
Y
Ti
X
O3，其中，X为Ti元素的摩尔当量，0.13≤X≤0.16，Y为Zn元素的摩尔当量，0.05≤Y≤0.08，元素Bi过量加入，Z为Bi以重量计的过量百分数，所述薄膜共N层，第一层至第三层中Z为5％
‑
10％，第四层至第N
‑
3层中Z为15％
‑
20％，第N
‑
2层至第N层中Z为11％
‑
16％；铋源为硝酸铋，锌源为硝酸锌，铁源为硝酸铁，钛源为异丙醇钛。2.根据权利要求1所述的锌、钛共掺的铁酸铋薄膜，其特征在于，所述薄膜的层数15≤N≤18，每层所述薄膜的厚度为60nm
‑
90nm。3.根据权利要求2所述的锌、钛共掺的铁酸铋薄膜，其特征在于，，X:Y的范围为1.7～3.2，X的范围为0.14～0.15，Y的范围为0.05～0.07。4.根据权利要求1
‑
3所述的任一项锌、钛共掺的铁酸铋薄膜的制备方法，其特征在于：采用溶胶
‑
凝胶法，包括如下步骤：S1、前驱体溶液的制备：按化学计量比称取硝酸锌、硝酸铁溶于乙醇中，待完全溶解后，向溶液中加入乙二醇，得混合溶液A；向混合溶液A中依次加入硝酸铋、异丙醇钛和乙酰丙酮，得混合溶液B，将混合溶液B搅拌1h后，再次向所述混合溶液B中加入乙醇，配制成前驱体溶液，将配制好的所述前驱体溶液，放置于温度15
‑
18℃环境中静置18
‑
24h备用；S2、薄膜材料的制备：采用层层退火工艺，用旋涂法将第一层前驱体溶液沉积在M：KTN晶片，然后将所述晶片放置在热板上烘干，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱程程，张福麟，刘冰，王旭平，杨玉国，禹化健，张锐，
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：