一种锌掺杂的钛酸铋钠薄膜及其低温制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锌离子掺杂的钛酸铋钠薄膜及其低温制备方法，属于功能薄膜领域。该薄膜以化学通式Na0.5Bi0.5Ti1-xZnxO3-δ表示，其中，x为锌离子的摩尔掺量，0.005≤x≤0.05；δ是为了维持电荷平衡所失去的氧原子的数目。本发明专利技术通过化学溶液法结合层层退火工艺，在ITO玻璃衬底上，于500~550℃结晶温度下制得具有良好电绝缘性、铁电性、介电性的薄膜，在非易失性铁电存储器中具有较广泛的应用，同时也可用于开发具有铁电、压电、光电、光折变及非线性光学特性的多功能材料及器件。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种锌离子掺杂的钛酸铋钠薄膜及其低温制备方法，属于功能薄膜领域。该薄膜以化学通式Na0.5Bi0.5Ti1-xZnxO3-δ表示，其中，x为锌离子的摩尔掺量，0.005≤x≤0.05；δ是为了维持电荷平衡所失去的氧原子的数目。本专利技术通过化学溶液法结合层层退火工艺，在ITO玻璃衬底上，于500~550℃结晶温度下制得具有良好电绝缘性、铁电性、介电性的薄膜，在非易失性铁电存储器中具有较广泛的应用，同时也可用于开发具有铁电、压电、光电、光折变及非线性光学特性的多功能材料及器件。【专利说明】
本专利技术涉及，属于钙钛矿结构环境协调型微电子新材料领域。
技术介绍
钛酸铋钠(Naa 5Bi0.5Ti03)材料作为一种A位复合钙钛矿结构弛豫型铁电体，具有相对较高的居里温度(320°C )，较强的铁电性(室温下的剩余极化强度可达已=38 μ C/cm2)。但是目前对纯Naa5Bia5TiO3薄膜材料来说，高的结晶温度致使钠、铋离子挥发严重，很难制备出单一钙钛矿相；而且，元素的挥发造成了薄膜内部缺陷的产生，尤其是处于晶界处的氧空位的存在，使Naa5Bia5TiO3薄膜的漏电流增大，从而使Naa5Bia5TiO3薄膜的本征电学性能恶化。针对上述情况，一方面，我们通过降低退火温度，来尽可能减少A位钠、铋离子的挥发，减少氧空位的数量；另一方面，通过离子掺杂进一步降低Naa5Bia5TiOj^膜的漏电流，并改善其电学性能。我们发现，锌离子作为B位低价掺杂离子，能够有效抑制氧空位的移动，但目前尚无相关报道。另外，对于制备薄膜的衬底而言，通常所用的金属底电极衬底由于在高温下容易被氧化，导电性会急剧下降，且易与薄膜发生反应，使其性能降低。而与之相比，锡氧化铟(ITO)玻璃具有高导电性、稳定性，且与薄膜具有良好的附着性。因此，ITO玻璃衬底的采用，一方面能够有效提高薄膜的电学性能，另一方面可使薄膜材料的铁电、压电、光电、光折变和线性光学特点得到充分利用，为多功能材料和器件的开发提供了可能性。然而，目前尚无对沉积于ITO玻璃衬底上的Naa5Bia5TiO3基薄膜结晶性、电学性能的报道。
技术实现思路
本专利技术针对现有Naa5Bia5TiO3薄膜漏电流大、电学性能差的缺点，提供了一种锌离子掺杂的Naa5Bia5TiO3薄膜及其低温制备方法。所制备的Naa5Bia5TihZnxCVs薄膜具有漏电低、剩余极化高、介电性稳定等优点。本专利技术还提供了锌离子掺杂的Naa5Bia5TiO3薄膜的低温制备方法，该方法操作简单，所得薄膜性能良好。本专利技术通过配制稳定均匀的前驱体溶液，在ITO玻璃衬底上于50(T550°C的低温下制备出了结晶性良好的Na。.5Bi0.5Ti03基薄膜；通过将锌离子掺入纯Na。.5Bi0.5Ti03薄膜中，有效抑制了氧空位的移动，降低了薄膜的漏电，得到了具有良好电学性能的薄膜。其具体技术方案如下:本专利技术的掺锌Naa5Bia5TiO3薄膜，其特征是:化学通式为Naa5Bia5TihZnxCVs，其中，x为锌离子的摩尔掺量，0.005 ≤ X ≤ 0.05 ； δ是为了维持电荷平衡所失去的氧原子的数目。上述薄膜所采用的衬底材料为ITO玻璃。上述薄膜的厚度为300NM-1μ m。本专利技术的锌掺杂的钛酸铋钠薄膜的制备方法，其特征是包含以下步骤:(1)、前驱体溶液的制备 ①以醋酸钠或硝酸钠、醋酸铋或硝酸铋、醋酸锌或硝酸锌、钛酸四正丁酯或钛酸四异丙酯为原料，按照Naa5Bia5TihZnxCVs的化学计量比，准确称量各原料，其中，醋酸钠或硝酸钠、醋酸铋或硝酸铋略微过量，另按照经验值称量聚乙二醇4000-20000，备用； ②将醋酸钠或硝酸钠、醋酸铋或硝酸铋、醋酸锌或硝酸锌溶于乙二醇中，在4(T80°C的温度下搅拌至完全溶解，定义为溶液I ; ③量取钛酸四正丁酯或钛酸四异丙酯于烧杯中，随后将乙酰丙酮逐滴加入，并放置在磁力搅拌器上于室温下搅拌完成钛的螯合，定义为溶液2 ； ④待溶液I冷却至室温后，将I缓慢倒入2中，并放置在磁力搅拌器上于室温下搅拌至混合均匀； ⑤将聚乙二醇溶解于冰醋酸中并在4(T80°C的温度下搅拌至溶解，待冷却后加入上述混合溶液中，在室温下搅拌约8~12小时，配成浓度为0.1~0.4mol/L的前驱体溶液； (2)、薄膜材料的制备:用旋涂法-层层退火工艺制备薄膜 ①采用旋涂法将前驱体溶液沉积在ITO玻璃衬底上，然后对薄膜进行热处理，处理过程是:先在26(T320°C 保温6~12分钟，再在4(KT46(TC保温4~6分钟，然后在5(KT55(TC退火8~12分钟； ②采用上述相同的方法继续将前驱体溶液旋涂到衬底材料上，直至薄膜厚度达到300nm~l μ m,即得。上述制备方法中，为 了弥补高温下钠、铋离子的挥发，硝酸钠或硝酸钠和醋酸铋或硝酸铋分别过量0~2.5mol%、l~5mol%。上述制备方法中，乙二醇与冰醋酸的体积比为2:1飞:1，钛酸四正丁酯或钛酸四异丙酯与乙酰丙酮的体积比为1:1。上述制备方法中，聚乙二醇质量为0.2^0.5g。上述制备方法中，所述旋涂工艺中，转速为3000~6000转/分钟，旋涂时间为20~40秒，每次旋涂的前驱体溶液厚度为20~50nm。上述制备方法中，所述的衬底材料为ITO玻璃。本专利技术首次将不同掺量的锌离子加入Naa5Bia5TiO3薄膜，形成具有单一钙钛矿结构的Naa5Bia5TihZnxCVs薄膜。在研究过程中，专利技术人制备出了离子分布均匀稳定的前驱体溶液中，降低了薄膜的结晶温度，抑制了杂相的产生。通过掺杂Zn2+，形成缺陷对，牵制了氧空位的运动，降低了薄膜的漏电，提高了 Naa5Bia5TiCM^膜的电学性能，使其在无铅非易失性铁电存储器中具有较广泛的应用前景。另外，专利技术人首次将掺锌的Naa5Bia5TiO3薄膜沉积在ITO玻璃衬底上，有利于未来研发具有铁电、压电、光电、光折变及非线性光学特性的多功能Naa5Bia5TiO3基薄膜材料。【专利附图】【附图说明】图1为实施例1制备的Naa5Bia5Tia995ZnatlJVs薄膜的厕图谱。其中，横坐标为衍射角2 Θ，纵坐标为衍射强度。图2为实施例1制备的Na0.5Bi0.5Ti0.995Zn0.005θ3-δ薄膜的电滞回线图谱。其中，横坐标为电场强度:千伏特/厘米，纵坐标为极化强度:微库/平方厘米。图3为实施例2制备的Naa5Bia5Tia99ZnatllCVs薄膜的电滞回线图谱。其中，横坐标为电场强度:千伏特/厘米，纵坐标为极化强度:微库/平方厘米。图4为实施例2制备的Naa5Bia5Tia99ZnatllCVs薄膜的光透过率光谱图。其中，横坐标为波长:纳米，纵坐标为光透过率:％。图5为实施例4制备的Naa5Bia5Tia98Znatl2CVs薄膜的图谱。其中，横坐标为衍射角2 Θ，纵坐标为衍射强度。图6为实施例4制备的Naa5Bia5Tia98Znatl2CVs薄膜的电滞回线图谱。其中，横坐标为电场强度:千伏特/厘米，纵坐标为极化强度:微库/平方厘米。图7为实施例4制备的Naa5Bia5Tia98Znatl2CVs薄膜的介电频谱图。其中，横坐标为频率:赫兹，左纵坐标为相对介电常数，右纵坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锌掺杂的钛酸铋钠薄膜，其特征是：以化学通式Na0.5Bi0.5Ti1‑xZnxO3‑δ表示，其中，Na0.5Bi0.5TiO3为基体，锌离子为掺杂元素；δ是为了维持电荷平衡所失去的氧原子的数目。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨长红，隋慧婷，冯超，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东;37