[发明专利]在金属钛基片衬底上生长钛酸锶钡薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在金属钛基片衬底上生长钛酸锶钡薄膜的方法，属铁电性能材料制备工艺方法技术领域。 

背景技术

钛酸锶钡(Ba_xSr_1-xTiO₃，BST)属ABO₃型钙钛矿结构铁电材料，它具有优异的介电性能：介电常数调节方便、高的绝缘电阻、低的介电损耗、较高的电温度稳定性等。随着锶含量的变化，(Ba_xSr_1-xTiO₃，BST)的居里温度可以在很宽的温度范围(-233℃～120℃)内得到调节，兼有钛酸钡的高介电性和钛酸锶的高稳定性与低损耗性，便钛酸锶钡(BST)成为最有应用前景的铁电材料之一。它有望应用在新型压控调谐微波器件，如移相器、谐振器、可变实时延迟器、可调性滤波器及相控阵列天线等。 

目前，钛酸锶钡薄膜通常制备在贵金属电极上，如铂、银-钯、金等。为了抑制氧气位的生成，降低薄膜的损耗，钛酸锶钡薄膜需要在大气或氧化气氛中晶化。抗氧化的贵金属电极在此过程中能保持薄膜与贵金属界面的稳定有利于高质量钛锶钡薄膜的生长。然而，贵金属电极成本甚高，且较难与硅衬底集成的固有缺陷限制了它在大规模集成微波调谐器上的应用。近期美国Argonne国家实验室、Maryland大学、North Carolina州立大学等科研机构率先报导了在Cu、Ni和Al等活泼金属上采用CSD法成功制备高质量钛锶钡薄膜。这些金属成本低，延展性好，可应用在印刷电路和柔性调谐电子器件上，且与Si集成电路兼容，有利于器件的整合。然而，Cu、Ni和Al等金属化学性质活泼，在薄膜晶化过程中，易氧化或与薄膜相互反应，这会显著降低薄膜性能。国际上通常采用还原气氛或控制氧分压的方法在活泼金属上制备钛酸锶钡薄膜，但工艺上比较复杂，同时，在此条件下氧空位的增加和介电常数的控制始终是难以解决的矛盾。 

发明内容

本发明的目的在于解决上述存在的一些问题，提出一种新方法，限在活泼金属钛衬底上，通过引入镍酸镧缓冲层，在大气环境下生长介电性能良好的钛酸锶钡膜的方法。 

本发明方法的特点是在金属钛和钛酸锶钡薄膜间引入镍酸镧缓冲层，且用溶胶-凝胶法在大气环境下将高质量的钛酸锶钡薄膜生长在钛衬底上。

本发明一种在金属钛基片衬底上生长钛酸锶钡Ba_0.6Sr_0.4TiO₃薄膜的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤： 

a.钛基片的预处理：首先对钛基片进行机械抛光，得到平整光滑的表面，然后用去离子水、丙酮、无水乙醇依次进行超声振荡清洗，烘干后备用； 

b.溶胶的制备： 

(1)镍酸镧(LNO)溶胶的制备：采用硝酸镧和硝酸镍为起始原料，用去离子水和醋酸为溶剂，聚乙烯醇为螯合剂来制得镍酸镧(LNO)溶胶；称取一定重量的硝酸镍和硝酸镧，加入去离子水在90℃下搅拌2小时，随后将溶液降温至70℃，加入一定量的聚乙烯醇，搅拌1小时，最后降温至65℃，再加入一定量醋酸，搅拌24小时，最终得0.3mol/L LaNiO₃溶胶，备用； 

(2)钛酸锶钡Ba_0.6Sr_0.4TiO₃(BST)溶胶的制备：采用钛酸四丁酯、乙酸锶、乙酸钡为起始原料，用乙二醇甲醚、醋酸为溶剂来制得钛酸锶钡溶胶；称取一定量的钛酸甲丁酯，加入一定量的溶剂乙二醇甲醚，于80～90℃搅拌3小时；再称取一定量的乙酸锶和乙酸钡，将其溶解于醋酸中；将上述两种溶液混合后在60℃下搅拌1小时；随后再加入乙二醇甲醚，在常温下搅拌12小时，最终得0.4mol/L Ba_0.6Sr_0.4TiO₃溶胶； 

c.甩胶成膜及热处理： 

(1)将清洗后的钛基片放于匀胶机上甩胶成膜；首先将上述的镍酸镧(LNO)前驱体溶胶滴加于钛基片上，在4000rpm转速下，甩胶时间25秒，甩胶成膜；然后将其放入光热炉内进行干燥及热处理；热处理温度范围为100～720℃；按此方式反复涂膜多次，直至所需厚度；此层镍酸镧(LNO)薄膜是中间缓冲层；