一种溶胶凝胶法制备高浓度钽酸锂薄膜的方法技术

技术编号:8524647 阅读:219 留言:0更新日期:2013-04-04 05:06
本发明专利技术公开了一种溶胶凝胶法制备高浓度钽酸锂薄膜的方法,其步骤如下:(1)将无水乙酸锂溶于高溶解度的溶剂中,加热并磁力搅拌至乙酸锂完全溶解;(2)在大气环境中,按Li+与Ta5+的摩尔比准确加入乙醇钽,磁力搅拌至前驱体充分反应,得到棕黄色透明胶体;(3)采用旋涂法制备湿膜;(4)在大气通氧气氛下热处理使薄膜干燥并结晶;(5)重复(3)和(4)至得到所需厚度的钽酸锂结晶薄膜。本方法克服了目前溶胶凝胶法制备钽酸锂薄膜时需要惰性气体保护、绝对干燥等严苛的实验要求,解决了前驱体浓度过低的问题,大大降低旋涂与热处理次数,可制备均匀、平整、致密、热释电性能良好的钽酸锂纳米结晶薄膜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及功能薄膜制备方法,属于热释电薄膜材料领域和太赫兹探测领域,具体涉及一种新型的溶胶凝胶法制备高浓度钽酸锂薄膜的方法
技术介绍
钽酸锂材料作为一种近年来备受各国关注的新的功能材料,它具有热释电系数大、居里温度高(650°C)、相对介电常熟小等特点使其具备良好的应用前景。钽酸锂材料的最初的应用为钽酸锂晶体,但是由于钽酸锂晶体的性能指标与敏感单元的厚度成反比,所以在钽酸锂晶体的应用中一直把减薄钽酸锂晶体作为目标。减薄的方法主要为机械抛光和化学机械抛光,但都无法克服钽酸锂晶体在减薄过程中的机械损伤,从而对钽酸锂晶体的性能产生巨大的影响,而且将钽酸锂晶体减薄加工到可以使用的厚度需要复杂繁琐的过程且重复率不高,成本昂贵。C. H. Kohli等首先尝试采用磁控溅射法制备组酸锂薄膜(C. H. Kohli etc Characterization of lithium tantalite thinfilms sputter-deposited onto RU02/Si substrates, Microelectronic Engineering,1995,29: 201)。H. Xie等用脉冲液体喷射金属有机化学沉积(MOCVD)方法制备了钽酸锂薄膜(H. Xie etc Epitaxial LiTa03 thin film by pulsed metalorganic chemicalvapor deposition from a single precursor, AppI, Phys, Lett, 1993, 63(23):3146) oA. A. Wernberg用固相外延化学气相沉积方法制备了钽酸锂薄膜(A. A. Wernbergetc Improved sol id phase epitaxial growth of lithium tantalate thin films onsapphire, using a two-step metalorganic chemical—vapor deposition process,AppI, Phys, Lett, 1993,63(19): 2049)。但是这些干法制备钽酸锂薄膜的方法存在薄膜中钽和锂的化学计量无法控制、生产和设备成本较高、不适合大面积成膜等问题。为了解决以上问题,J. H. Jean首次使用溶胶凝胶法制备钽酸锂陶瓷粉体(J. H. Jean Sol-gel derived LiTa03, Journal of material science, 1990, 25:859-864)。在这之后衍生出制备钽酸锂薄膜的溶胶凝胶法。目前,国内外采用溶胶凝胶法制备钽酸锂薄膜的方法主要有三种1、美国加州大学D. M. Chen和C. J. Chen分别使用醋酸锂和乙醇钽为起始原料、乙二醇单甲醚为溶剂制备了钽酸锂胶体,采用旋涂法制备组酸锂薄膜(D. M. Chen etc Uncooled pyroelectric lithium tantalite thin filminfrared microsensors Integrated Ferroelectrics, 2000; C. J. Chen etc Sol-gelderived LiTa03 thin film properties and application, Presented at Sol-gelOptics IV,San Diego, CA,USA,1997)。国内电子科技大学黄大贵,张德银等用同样的方法制备获得浓度为O. 4mol/L的钽酸锂胶体(D. Y. Zhang etc Preparation of themult1-layer LiTa03 infrared-detected functional thin film, Proc, of SPIE Vol,6149 614911-1-614911-5)。但是这种制备方法中,水解反应需要精确控制,因为乙醇钽材料极易发生水解导致合成失败。而且由于溶剂乙二醇单甲醚对与反应物醋酸锂的溶解度很小,导致制备的钽酸锂前驱体浓度很低,因此,每次涂覆得到的钽酸锂薄膜厚度很小(约25nm),制备需要厚的薄膜需要多次涂覆。同时,乙二醇单甲醚具有毒性,能引起贫血症、巨红血球症,出现新生颗粒性白血球,引起中枢神经障碍等;2、中国台湾中山大学高铭政、陈英忠等采用乙酰丙酮锂和异丙醇钽为起始原料、1. 3丙二醇为溶剂制备了钽酸锂胶体,并利用旋涂法得到了组酸锂薄膜(M. C. Kao etc Properties of LiTa03 Thin Films Derivedby a Diol-Based Sol-Gel Process, Jpn, J, AppI, Phys, 2002, 41: 2982-2986)。这种制备方法所采用的材料昂贵,不适合大规模制备,并且制备过程中溶剂对人也有一定的毒害作用;3、日本的Z. X. Cheng等利用乙醇锂和乙醇钽作为起始反应物、乙醇作为溶剂,将浓度为30%的过氧化氢加入溶液中制备了浓度为O. lmol/L的钽酸锂胶体(Z. X,Chengetc Ferroelectric lithium tantalate thin film derived from peroxide, Journalof Alloys and Compounds 2005,402: 208-212)。这种制备方法中,反应物均为极易水解的金属醇盐,所以对反应环境有严格要求,制备出的钽酸锂胶体浓度也非常低(O. lmol/L左右)。
技术实现思路
本专利技术的目的是如何克服制备钽酸锂成本过高、浓度过低、反应条件过于苛刻的缺点,改进现有的溶胶凝胶法,简化制备条件,获得高浓度的钽酸锂胶体与高质量的钽酸锂薄膜。本专利技术的技术方案为,其特征在于,其步骤如下 (1)将无水乙酸锂溶于高溶解度的溶剂中,加热并磁力搅拌至乙酸锂完全溶解; (2)在大气环境中,按Li+与Ta5+的摩尔比准确加入乙醇钽,磁力搅拌至前驱体充分反应,得到棕黄色透明胶体; (3)采用旋涂法制备湿膜; (4)在氧气气氛下热处理使薄膜干燥并结晶; (5)重复(3)和(4)至得到所需厚度的钽酸锂结晶薄膜。进一步地,步骤(I)中所述的高溶解度的溶剂为二醇类有机物。所述二醇类有机物优选为1,2-丙二醇或1,3-丙二醇。进一步地,步骤(3)中旋涂制备的钽酸锂薄膜厚度为50_150nm。进一步地,步骤(3)中涂覆条件为匀胶转速为200-600转/分,匀胶时间为10-30秒,甩胶转速为1500-4500转/分,甩胶时间为30-90秒。进一步地,步骤(I)中无水乙酸锂与溶剂的摩尔比为1:10-1:30,溶解时磁力搅拌温度为100-140°C,溶解时间为0. 5-3小时。 进一步地,制备LiTaO3时,Li+与Ta5+的摩尔比为1:1,制备LiTa3O8时,Li+与Ta5+的摩尔比为1:3,反应时磁力搅拌温度为100-140°C,反应时间为4-48小时。反应后静置时间为24-72小时,制备的钽酸锂前驱体浓度为0. 5-1. 2mol/L。进一步地,步骤(4)中热处理分三步进行第一步使薄本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种溶胶凝胶法制备高浓度钽酸锂薄膜的方法,其特征在于,其步骤如下:(1)将无水乙酸锂溶于高溶解度的溶剂中,加热并磁力搅拌至乙酸锂完全溶解;(2)在大气环境中,按Li+与Ta5+的摩尔比准确加入乙醇钽,磁力搅拌至前驱体充分反应,得到棕黄色透明胶体;(3)采用旋涂法制备湿膜;(4)在大气通氧气氛下热处理使薄膜干燥并结晶;(5)重复(3)和(4)至得到所需厚度的钽酸锂结晶薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种溶胶凝胶法制备高浓度钽酸锂薄膜的方法,其特征在于,其步骤如下(1)将无水乙酸锂溶于高溶解度的溶剂中,加热并磁力搅拌至乙酸锂完全溶解;(2)在大气环境中,按Li+与Ta5+的摩尔比准确加入乙醇钽,磁力搅拌至前驱体充分反应,得到棕黄色透明胶体;(3)采用旋涂法制备湿膜;(4)在大气通氧气氛下热处理使薄膜干燥并结晶;(5)重复(3)和(4)至得到所需厚度的钽酸锂结晶薄膜。2.根据权利要求1所述的一种溶胶凝胶法制备高浓度钽酸锂薄膜的方法,其特征在于,步骤(I)中所述的高溶解度的溶剂为二醇类有机物。3.根据权利要求2所述的一种溶胶凝胶法制备高浓度钽酸锂薄膜的方法,其特征在于,所述二醇类有机物为1,2-丙二醇或1,3-丙二醇。4.根据权利要求1所述的一种溶胶凝胶法制备高浓度钽酸锂薄膜的方法,其特征在于,步骤(3)中旋涂制备的钽酸锂薄膜厚度为50-150nm。5.根据权利要求1所述的一种溶胶凝胶法制备高浓度钽酸锂薄膜的方法,其特征在于,步骤(3)中涂覆条件为匀胶转速为200-600转/分,匀胶时间为10-30秒,甩胶转速为 1500-4500转/分,甩胶时间为30-90秒。6.根据权利要求1所述的一种溶胶凝胶法制备高浓度钽酸锂薄膜的...

【专利技术属性】
技术研发人员:蒋亚东杨明王军苟君黄泽华闫淼
申请(专利权)人:电子科技大学
类型:发明
国别省市:

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