[发明专利]一种钛酸铋铁电薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及功能薄膜材料领域，具体涉及一种钛酸铋铁电薄膜及其制备方法。

背景技术

钛酸铋是具有钙钛矿结构铋层状化合物大家族中结构最简单、研究得最多的铁电体。稀土掺杂钛酸铋铁电[(Bi_4-xLn_x)Ti₃O₁₂]薄膜材料的主要成分是钛酸铋，它不但是一种性能优异的铁电材料，又因其具有良好的介电、铁电性能和非线性光学效应，在现代微电子、微机电系统、信息存储等方面有着广阔的应用前景。随着当今社会对微电子光电子器件要求的不断提高，有必要研究和提高这类薄膜材料的性能。

目前，铁电薄膜制备的方法较多，如溅射法、脉冲激光沉积、分子束外延法、溶胶凝胶法等，各种方法都有其优缺点。相比而言，溶胶凝胶法易于控制薄膜成分，均匀性好，而且制备成本低，处理温度低，易于大面积成膜等，是薄膜制备的重要技术手段。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种将镍和稀土共同掺杂，且可通过调节镍和稀土的用量从而调节薄膜铁电及介电性能的钛酸铋铁电薄膜。

本发明的另一个目的在于提供上述钛酸铋铁电薄膜的制备方法。

本发明的上述目的是通过如下方案予以实现的：

一种钛酸铋铁电薄膜，其特征在于该薄膜是镍与稀土共掺杂钛酸铋铁电薄膜，其化学式为(Bi_4-xLn_x)(Ti_3-yNi_y)O₁₂，其中，x为Ln(稀土)含量，0≤x≤0.85，y为Ni(镍)含量，0≤y≤0.1，Ln为钕Nd、镧La、镨Pr、镝Dy、钬Ho、铒Er、铕Eu、铥Tm或镱Yb等。

本发明钛酸铋铁电薄膜的制备采用溶胶凝胶法，具体步骤为：

(1)配制镍与稀土共掺杂钛酸铋前驱体溶液；

(2)将步骤(1)所得前驱体溶液旋涂在基片上镀膜，经烤胶和退火处理后，得到所需(Bi_4-xLn_x)(Ti_3-yNi_y)O₁₂薄膜。

上述步骤(1)中，钛酸铋前驱体溶液的制备方法可参考现有技术中本领域技术人员常用的操作，均可实现本发明，具体操作时可选择硝酸铋、硝酸镍、稀土硝酸盐和钛酸四丁酯分别作为铋、镍、稀土和钛源，其中稀土为钕Nd、镧La、镨Pr、镝Dy、钬Ho、铒Er、铕Eu、铥Tm或镱Yb等，按化学式(Bi_4-xLn_x)(Ti_3-yNi_y)O₁₂(0≤x≤0.85，0≤y≤0.1)进行配制，得到稳定澄清的前驱体溶液，其浓度一般为0.05～0.1mol/L。

上述步骤(1)中，溶解硝酸铋、硝酸镍和稀土硝酸盐的溶剂可选择乙二醇甲醚和冰醋酸的混合液(V_{乙二醇甲醚}∶V_冰醋酸＝2∶1)，加入钛酸四丁酯后稳定剂可选择乙酰丙酮。

上述步骤(1)中，为防止退火过程中铋的过量挥发，硝酸铋在化学计量比基础上过量10％。

上述步骤(2)中，前驱体溶液经过滤器后旋转涂覆于特定基片上，调整旋转速度和旋转时间，每旋涂一层均将湿膜置于热台上烘烤，以去除有机质，经过若干次的旋涂-烘烤后，获得一定厚度的(Bi_4-xLn_x)(Ti_3-yNi_y)O₁₂薄膜，再将薄膜置于热处理炉中，在空气或氧气气氛下进行退火处理，然后随炉自然冷却取出，即得到所需的(Bi_4-xLn_x)(Ti_3-yNi_y)O₁₂薄膜。

上述步骤(2)中，旋转镀膜时的旋转速度可以选择2500～3500转/分钟，旋转时间为20～40s，退火处理的退火温度可选择600～750℃，退火时间可选择20～60min。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：