CN103496747A - 一种铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子陶瓷的技术领域,具体的涉及一种铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜及其制备方法。该种铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜,包括以下原料:硝酸铁、硝酸铋、钛酸四丁酯、醋酸锶。该多铁复合薄膜具有稳定的结构,大大降低了漏电流密度,增强了铁电性能。
Description
技术领域
本发明属于电子陶瓷的技术领域,具体的涉及一种铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜及其制备方法。
背景技术
在一定温度下同时具有铁电性、铁磁性和铁弹性中两种或者两种以上性质的材料被称为多铁性材料。该材料互补了纯的(反-)铁电或(反-)铁磁材料的不足而同时呈现出电和磁的有序性。由于铁电性和磁性的共存使得多铁性材料具有磁电效应,即它可以在电场诱导下产生磁场,同时磁场作用下产生电极化,基于多铁材料这一特殊性质,使其在磁存储介质、信息检测等方面应用前景极为广泛。
铁酸铋(BiFeO3)是少数在室温下同时具有铁电性和反铁磁性的多铁材料,居里温度为830℃,奈尔温度为370℃,具有巨大的科研和应用价值。
BiFeO3存在的主要问题之一是具有较大的漏电流。由于漏电流严重,施加在BiFeO3薄膜上的有效电场就会很小,导致铁电畴无法翻转,甚至在很低的电压下材料就被击穿,无法获得饱和的极化因而无法显示其优良的铁电性能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在的缺陷而提供一种铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜及其制备方法,该多铁复合薄膜具有稳定的结构,大大降低了漏电流密度,增强了铁电性能。
本发明的技术方案为:一种铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜,包括以下原料:硝酸铁、硝酸铋、钛酸四丁酯、醋酸锶。
一种所述铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的制备方法,包括以下步骤:
(1)配制铁酸铋的前驱体溶液:首先称取硝酸铁和硝酸铋,然后依次加入乙酰丙酮和乙二醇;用磁力搅拌器充分搅拌7小时直至溶解; 最后加入冰醋酸调节pH值为0.3,搅拌24小时后得到透明、均匀、稳定的红色铁酸铋前驱体溶液;其中硝酸铁与硝酸铋的重量份比为1:(1~2);硝酸铁与乙酰丙酮的质量体积比为0.3~0.4g/ml;乙酰丙酮与乙二醇的体积比为1:1;
(2)配制锶铋钛的前驱体溶液:a.首先将钛酸四丁酯与乙酰丙酮按体积比1:1进行混合,然后将混合后的溶液置于0℃的冰水中搅拌12h,得到澄清黄褐色透明的A溶液;b.首先称取硝酸铋和醋酸锶;然后将称取的硝酸铋和醋酸锶加入至溶剂乙二醇中,在磁力搅拌器上搅拌12h,得到澄清透明的B溶液,其中醋酸锶与硝酸铋的重量份比为1:(4~5),醋酸锶与乙二醇的质量体积比为0.04~0.05g/ml;c.将所制得的B溶液加入至A溶液中,混合后充分搅拌48h,得到淡黄色的锶铋钛前驱体溶液;
(3)将铁酸铋前驱体溶液与锶铋钛前驱体溶液按照体积比1:1混合,充分搅拌24小时,然后陈化24小时;
(4)将陈化后的混合溶液在匀胶机上匀胶,选择氧化铟锡为衬底,进行旋转涂膜,控制转速为2000r/min,时间为30s,制备得到模板晶粒膜;将得到的模板晶粒膜湿膜在热板上进行热解,热解温度为180℃,热解时间为1min;
(5)采用层层退火的工艺对涂膜后的氧化铟锡衬底进行退火热处理,每涂一层热处理一次,每次热处理分为热分解阶段和退火阶段, 热分解温度为300℃,热解时间为120s,退火温度为500℃,退火时间为180s。
所述步骤(1)中硝酸铁和硝酸铋为粉末状。
所述步骤(1)所得铁酸铋前驱体溶液的浓度为0.3mol/L。
所述步骤(2)所得锶铋钛前驱体溶液的浓度为0.1mol/L。
所述步骤(4)中所得模板晶粒膜单层膜的膜厚大于40nm小于50nm。
所述步骤(4)中进行旋转涂膜7层。
所述步骤(5)中进行退火热处理7次
本发明的有益效果为:采用铁酸铋与锶铋钛复合,制备出的铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜(Sr2Bi5FeTi5O21),有效地改善了材料的稳定性;另外由于Bi2O2层和金属性较高的锶元素的协同作用,显著的降低了漏电流密度和改善了铁电性能。由于采用匀胶机可以有效的控制薄膜的均匀性,采用了层层退火法显著的降低了薄膜的制备温度,这些都对实现与半导体工艺兼容有很高的现实意义。
为了降低BiFeO3的漏电流,用的锶铋钛(Sr2Bi4Ti5O18)与BiFeO3复合制备一种新的多铁材料Sr2Bi5FeTi5O21。Sr2Bi4Ti5O18与BiFeO3具有相同的钙钛矿结构,Sr2Bi4Ti5O18由Bi2O2层和TiO6八面体组成,而Bi2O2层可以容纳一部分氧空位,另外还可以阻止自由电荷的跃迁,因此可以很大程度上降低漏电流密度;由于锶是金属性强的元素,锶的加入可以使BiFeO3的漏电流密度大幅降低。因此由二者的协同作用可以制备出具有较低漏电流密度,较好铁磁性的一种新的多铁材料,将会有更大的实用价值。
通过复合这两种化合物形成铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜Sr2Bi5FeTi5O21,采用有机金属热沉积的方法和层层退火工艺,使其性能得到大大提高。
在进行测试材料铁电性能时,电滞回线是铁电性能特有的曲线,矩形度越好,说明铁电性越好,漏电越小。通过图2、图3、图4电滞回线的对比可知,图4的曲线矩形度最好,说明铁电性较好,漏电越小。由此可知,本发明的铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜具有稳定的结构,大大降低了漏电流密度,增强了铁电性能。
附图说明
图1为本发明铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的结构曲线(XRD曲线);
图2为铁酸铋薄膜的电滞回线;
图3为锶铋钛薄膜的电滞回线;
图4为本发明铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的电滞回线。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细的说明。
所述铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜,包括以下原料:硝酸铁、硝酸铋、钛酸四丁酯、醋酸锶。
该铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的制备方法,包括以下步骤:
(1)配制铁酸铋的前驱体溶液:首先称取粉末状硝酸铁3.6727g和硝酸铋4.8753g,然后先加入10ml乙酰丙酮作为螯合剂,再加入10ml乙二醇作为溶剂;用磁力搅拌器充分搅拌7小时直至溶解; 最后加入10ml冰醋酸调节pH值为0.3,搅拌24小时后得到透明、均匀、稳定的红色铁酸铋前驱体溶液,该铁酸铋前驱体溶液的浓度为0.3 mol/L;
(2)配制锶铋钛的前驱体溶液:a.首先将钛酸四丁酯与乙酰丙酮按体积比1:1进行混合,然后将混合后的溶液置于0℃的冰水中搅拌12h,得到澄清黄褐色透明的A溶液;b.首先称取硝酸铋12.4148g和醋酸锶2.4978g;然后将称取的硝酸铋和醋酸锶加入至52ml溶剂乙二醇中,在磁力搅拌器上搅拌12h,得到澄清透明的B溶液;c.将所制得的B溶液加入至A溶液中,混合后充分搅拌48h,得到淡黄色的锶铋钛前驱体溶液,该锶铋钛前驱体溶液浓度为0.1 mol/L;
(3)将铁酸铋前驱体溶液与锶铋钛前驱体溶液按照体积比1:1混合,充分搅拌24小时,然后陈化24小时;
(4)将陈化后的混合溶液在匀胶机上匀胶,选择ITO/glass(氧化铟锡)为衬底,进行旋转涂膜,控制转速为2000r/min,时间为30s,制备得到模板晶粒膜,使得模板晶粒膜湿膜单层膜的膜厚大于40nm小于50nm;将得到的模板晶粒膜湿膜在热板上进行热解,热解温度为180℃,热解时间为1min;其中ITO/glass衬底为市售,销售单位:武汉格奥科教仪器有限公司,ITO/glass尺寸规格为:10×10×2.0mm,面电阻为15欧。
(5)采用层层退火的工艺对涂膜后的ITO/glass衬底(氧化铟锡)进行退火热处理,每涂一层热处理一次,每次热处理分为热分解阶段和退火阶段, 热分解温度为300℃,热解时间为120s,退火温度为500℃,退火时间为180s。重复旋转涂膜直到7层,并热处理7次。
采用实施例所制备的铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的结构曲线(XRD曲线)如图1所示,由图1可知主晶相均已经形成,其中BFO是铁酸铋、SBT是锶铋钛、SBT-BFO是铁酸铋-锶铋钛。
Claims (8)
1.一种铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜,其特征在于,包括以下原料:硝酸铁、硝酸铋、钛酸四丁酯、醋酸锶。
2.一种权利要求1所述铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的制备方法,包括以下步骤:
(1)配制铁酸铋的前驱体溶液:首先称取硝酸铁和硝酸铋,然后依次加入乙酰丙酮和乙二醇;用磁力搅拌器充分搅拌7小时直至溶解; 最后加入冰醋酸调节pH值为0.3,搅拌24小时后得到透明、均匀、稳定的红色铁酸铋前驱体溶液;其中硝酸铁与硝酸铋的重量份比为1:(1~2);硝酸铁与乙酰丙酮的质量体积比为0.3~0.4g/ml;乙酰丙酮与乙二醇的体积比为1:1;
(2)配制锶铋钛的前驱体溶液:a.首先将钛酸四丁酯与乙酰丙酮按体积比1:1进行混合,然后将混合后的溶液置于0℃的冰水中搅拌12h,得到澄清黄褐色透明的A溶液;b.首先称取硝酸铋和醋酸锶;然后将称取的硝酸铋和醋酸锶加入至溶剂乙二醇中,在磁力搅拌器上搅拌12h,得到澄清透明的B溶液,其中醋酸锶与硝酸铋的重量份比为1:(4~5),醋酸锶与乙二醇的质量体积比为0.04~0.05g/ml;c.将所制得的B溶液加入至A溶液中,混合后充分搅拌48h,得到淡黄色的锶铋钛前驱体溶液;
(3)将铁酸铋前驱体溶液与锶铋钛前驱体溶液按照体积比1:1混合,充分搅拌24小时,然后陈化24小时;
(4)将陈化后的混合溶液在匀胶机上匀胶,选择氧化铟锡为衬底,进行旋转涂膜,控制转速为2000r/min,时间为30s,制备得到模板晶粒膜;将得到的模板晶粒膜湿膜在热板上进行热解,热解温度为180℃,热解时间为1min;
(5)采用层层退火的工艺对涂膜后的氧化铟锡衬底进行退火热处理,每涂一层热处理一次,每次热处理分为热分解阶段和退火阶段, 热分解温度为300℃,热解时间为120s,退火温度为500℃,退火时间为180s。
3.根据权利要求2所述铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中硝酸铁和硝酸铋为粉末状。
4.根据权利要求2所述铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)所得铁酸铋前驱体溶液的浓度为0.3mol/L。
5.根据权利要求2所述铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)所得锶铋钛前驱体溶液的浓度为0.1mol/L。
6.根据权利要求2所述铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中所得模板晶粒膜单层膜的膜厚大于40nm小于50nm。
7.根据权利要求2所述铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中进行旋转涂膜7层。
8.根据权利要求2所述铁酸铋-锶铋钛多铁复合薄膜的制备方法,其特征在于,所述步骤(5)中进行退火热处理7次。
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