本发明专利技术公开了一种在玻璃基板上制备钛酸铋功能薄膜的方法，按照如下步骤：（１）预处理基片；（２）沉积ＯＴＳ自组装膜层：将步骤（１）中清洗好的基片进行ＯＴＳ自组装膜层的沉积制备；（３）配制反应液；（４）液相法沉积薄膜；（５）薄膜的后期处理：将薄膜在５５０－６５０℃下保温３０ｍｉｎ进行退火处理，得到钛酸铋功能薄膜。这种方法的优点是具有原位自发形成、成键高度有序排列、缺陷少、结合力强、呈“结晶态”等特点的钛酸铋薄膜的制备方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于功能材料领域，涉及一种钛酸铋薄膜的制备方法，尤其是一种在玻璃 基板上制备钛酸铋功能薄膜的方法，通过本方法可以制备出具有原位自发形成、成键高度 有序排列、缺陷少、结合力强的铁酸铋薄膜。
技术介绍
铁电陶瓷作为电、力、光等敏感材料，已在超声换能、传感器、无损检测和通讯技术 等领域获得了广泛的应用。随着器件的小型化、功能化、稳定性和可靠性的提高，要求材料 的性能进一步改善。传统的铁电陶瓷多含铅(如锆钛酸铅(PZT)、锆钛酸铅镧(PLZT))，它们 在制备和使用过程中，都会给环境和人类健康带来很大的损害。近年来，随着环境保护和社 会可持续发展的需求，世界发达国家开始致力于研发新型的、与环境友好的铁电陶瓷材料， 钛酸铋(Bi4Ti3O12)目前已成为国际上铁电薄膜制备和应用研究的热点课题之一。早在20世纪70年代，美国Westing House电气公司利用Bi4Ti3O12制成了第一个用 于数据存储的铁电场效应器件，日本、韩国、欧洲等国也投入大量人力、物力进行Bi4Ti3O12 的研究和开发，从而掀起了人们对Bi4Ti3O12铁电薄膜研究的热潮。随着Bi4Ti3O12理论及实 验研究的成熟的，具有较高剩余极化和高度取向的Bi4Ti3O12薄膜及掺杂型Bi4Ti3O12薄膜已 经被制备出来。J. S. Kim等人采用在制备过程中添加表面活性剂的方法，得到了完全沿c 轴取向的Bi4Ti3O12薄膜。Ji Cheul Bae等人使用sol-gel方法制得了 Pr为70 μ C/cm2的 Bi4Ti3O12 薄膜。Hirofumi Matsuda 等人在 Ir (111)/Ti/Si02/Si 上生长了 a 轴取向的掺镨 的Bi4Ti3O12薄膜，其剩余极化Pr高达46 μ C/cm2。Li Wei等人用化学溶液沉积法(CSD)在 (111) Pt/Ti/Si02/Si基底上制备出了同时掺入钕和钨的多晶Bi4Ti3O12薄膜，其Pr和矫顽场 Ec 分别为 59. 27 μ C/cm2,203. 2kV/cm。而国内Bi4Ti3O12的研究起步较晚，华中科技大学的周幼华等用飞秒脉冲激光沉积 技术在Si基板上制备出a轴择优取向的Bi4Ti3O12铁电薄膜，薄膜的剩余极化强度Pr为 15 μ C/cm2,矫顽场Ec为48kV/cm，实验表明沉积温度对薄膜的生长取向有重要影响。华中 科技大学的郭冬云等用溶胶_凝胶法在P-Si衬底上制备出了随机取向的Bi4Ti3O12薄膜，其 Pr和Ec分别为12 μ C/cm2和130kV/cm。湖北师范学院的王秀章等采用溶胶-凝胶法在玻 璃衬底上制备了 Bi4Ti3O12和钕掺杂的Bi3.35Nd。.65Ti3012 (BNT)薄膜，铁电性的测试表明，钕掺 杂使薄膜的介电性和铁电性得到了增强，Pr由57. 2 μ C/cm2增加到68. 4 μ C/cm2。这些研 究制备的Bi4Ti3O12薄膜的剩余极化都不大，而且矫顽场较高。要把铁电体材料推向工业应 用，就必须解决上述剩余极化较低和矫顽场较高的问题，因此探索新的制备工艺，从而测试 材料的铁电性能，就成为研究Bi4Ti3O12薄膜材料关键的一步。Bi4Ti3O12中某些离子的掺入可以改变其结构从而在很大程度上改变其铁电性能。 已有的理论和实验研究表明在Bi4Ti3O12中掺入一定量的稀土离子以取代A位的Bi离子 降低了其结构的形变，增强了 TiO6八面体的对称性，其抗疲劳性和极化强度得到了明显的 改善。但是A位掺杂使剩余极化提高的同时带来了矫顽场的增大。要在保证剩余极化增大的同时降低矫顽场，对材料进行B位的掺杂是可行的，但这个降低的程度仍然还达不到实 用的要求。因此，通过新的途径对Bi4Ti3O12W A位或者B位进行掺杂以调整其晶格常数，并 确定掺杂离子的种类和数量，从而提高Bi4Ti3O12铁电性能，是目前Bi4Ti3O12的应用甚至商 业化亟待解决的问题。探索新型的Bi4Ti3O12薄膜的制备工艺是制备Bi4Ti3O12材料的基础，通过液相反应 法在温和条件下以自生长的形式进行纳米材料与器件的自组装制备是一个极具发展潜力 的技术方向，在材料的自生长过程中，其关键在于精确控制材料的生长位置，获得高度有序 的纳米结构。实施自组装制备首先需要选择合适的模版。近年来，自组装单分子膜由于在 纳米材料与纳米结构的自组装制备领域所显示的巨大潜力而受到越来越多的关注。表面活 性剂如烷基硫化物、脂肪酸、有机硅烷等，可以通过自组装的方式在衬底表面形成高度有序 的单分子膜(SAMs)，以作为模版进行纳米材料与纳米结构的显微图案制备。
技术实现思路
本专利技术报道了采用液相自组装单层膜技术，利用(NH4)2TiFf^PBi(NO3)3 · 5H20为 原料，按照一定的原料配比，在一定的沉积条件下，制备出了薄膜，然后经过一定的退火处 理得到晶化的钛酸铋薄膜。这种方法的优点是具有原位自发形成、成键高度有序排列、缺陷 少、结合力强、呈“结晶态”等特点的钛酸铋薄膜的制备方法。本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种在玻璃基板上制备钛酸铋 功能薄膜的方法，按照如下步骤(1)预处理基片首先将玻璃基片置于去离子水中超声波洗涤10-15min，以洗去 基板表面的尘土和玻璃碎沫；再用无水乙醇和丙酮中分别超声洗涤15-20min，以洗去表面 有机污染物和油渍；(2)沉积OTS自组装膜层将步骤(1)中清洗好的基片进行OTS自组装膜层的沉 积制备；首先把十八烷基三氯硅烷和甲苯以体积分数1 99配制OTS-甲苯溶液在搅拌的 条件下，将OTS滴加到甲苯溶液中；然后将上述清洗好的基片氮气吹干后，放入OTS-甲苯溶 液中，控制反应时间为30s 20min，该过程在自制的气氛保护反应器中进行，通以氮气保 护，防止空气中的水分污染及氧化作用；取出沉积过OTS的基片，迅速放入无水丙酮中进行 超声波洗涤5min，然后用氮气吹干；随后在120°C下烘烤5-lOmin，排出表面残留溶液，使得 OTS自组装膜层与基底结合更紧密；(3)配制反应液以(NH4)2TiF6和Bi (NO3)3 · 5H20为原料，配制浓度为 0.0050-0. 03mol/l的前驱液，其中Bi与Ti的摩尔比为4 3，再用稀硝酸滴定前驱液，得 到PH值为1. 40-1. 10的前驱液；(4)液相法沉积薄膜将OTS功能化后的基片垂直放置于已配置好的前驱液中，分 别在不同条件下进行薄膜的沉积制备；(5)薄膜的后期处理将薄膜在550-650°C下保温0. 5_lh进行退火处理，得到钛酸 铋功能薄膜。所述步骤(1)是指首先将玻璃基片置于去离子水中超声波洗涤10min、12. 5min 或15min，以洗去基板表面的尘土和玻璃碎沫；再用无水乙醇和丙酮中分别超声洗涤 15min、17. 5min或20min，以洗去表面有机污染物和油渍。所述步骤(2)是指沉积OTS自组装膜层将步骤(1)中清洗好的基片进行OTS自 组装膜层的沉积制备；首先把十八烷基三氯硅烷和甲苯以体积分数1 99配制OTS-甲苯 溶液在搅拌的条件下，将OTS滴加到甲苯溶液中；然后将上述清洗好的基片氮气吹干后， 放入OTS-甲苯溶液中，控制反应本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种在玻璃基板上制备钛酸铋功能薄膜的方法，其特征在于，按照如下步骤： （１）预处理基片：首先将玻璃基片置于去离子水中超声波洗涤１０－１５ｍｉｎ，以洗去基板表面的尘土和玻璃碎沫；再用无水乙醇和丙酮中分别超声洗涤１５－２０ｍｉｎ，以洗去表面有机污染物和油渍； （２）沉积ＯＴＳ自组装膜层：将步骤（１）中清洗好的基片进行ＯＴＳ自组装膜层的沉积制备；首先把十八烷基三氯硅烷和甲苯以体积分数１∶９９配制ＯＴＳ－甲苯溶液：在搅拌的条件下，将ＯＴＳ滴加到甲苯溶液中；然后将上述清洗好的基片氮气吹干后，放入ＯＴＳ－甲苯溶液中，控制反应时间为３０ｓ～２０ｍｉｎ，该过程在自制的气氛保护反应器中进行，通以氮气保护，防止空气中的水分污染及氧化作用；取出沉积过ＯＴＳ的基片，迅速放入无水丙酮中进行超声波洗涤５ｍｉｎ，然后用氮气吹干；随后在１２０℃下烘烤５－１０ｍｉｎ，排出表面残留溶液，使得ＯＴＳ自组装膜层与基底结合更紧密； （３）配制反应液：以（ＮＨ↓［４］）↓［２］ＴｉＦ↓［６］和Ｂｉ（ＮＯ↓［３］）↓［３］.５Ｈ↓［２］Ｏ为原料，配制浓度为０．００５０－０．０３ｍｏｌ／ｌ的前驱液，其中Ｂｉ与Ｔｉ的摩尔比为４∶３，再用稀硝酸滴定前驱液，得到ｐＨ值为１．４０－１．１０的前驱液； （４）液相法沉积薄膜：将ＯＴＳ功能化后的基片垂直放置于已配置好的前驱液中，分别在不同条件下进行薄膜的沉积制备； （５）薄膜的后期处理：将薄膜在５５０－６５０℃下保温０．５－１ｈ进行退火处理，得到钛酸铋功能薄膜。...
【技术特征摘要】
一种在玻璃基板上制备钛酸铋功能薄膜的方法，其特征在于，按照如下步骤(1)预处理基片首先将玻璃基片置于去离子水中超声波洗涤10 15min，以洗去基板表面的尘土和玻璃碎沫；再用无水乙醇和丙酮中分别超声洗涤15 20min，以洗去表面有机污染物和油渍；(2)沉积OTS自组装膜层将步骤(1)中清洗好的基片进行OTS自组装膜层的沉积制备；首先把十八烷基三氯硅烷和甲苯以体积分数1∶99配制OTS 甲苯溶液在搅拌的条件下，将OTS滴加到甲苯溶液中；然后将上述清洗好的基片氮气吹干后，放入OTS 甲苯溶液中，控制反应时间为30s～20min，该过程在自制的气氛保护反应器中进行，通以氮气保护，防止空气中的水分污染及氧化作用；取出沉积过OTS的基片，迅速放入无水丙酮中进行超声波洗涤5min，然后用氮气吹干；随后在120℃下烘烤5 10min，排出表面残留溶液，使得OTS自组装膜层与基底结合更紧密；(3)配制反应液以(NH4)2TiF6和Bi(NO3)3·5H2O为原料，配制浓度为0.0050 0.03mol/l的前驱液，其中Bi与Ti的摩尔比为4∶3，再用稀硝酸滴定前驱液，得到pH值为1.40 1.10的前驱液；(4)液相法沉积薄膜将OTS功能化后的基片垂直放置于已配置好的前驱液中，分别在不同条件下进行薄膜的沉积制备；(5)薄膜的后期处理将薄膜在550 650℃下保温0.5 1h进行退火处理，得到钛酸铋功能薄膜。2.如权利要求1所述一种在玻璃基板上制备钛酸铋功能薄膜的方法，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏傲，谈国强，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]
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