[发明专利]纳米复合稀土掺杂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，具体涉及一种纳米复合稀土掺杂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。

纳米复合膜是由两种以上不同材料组成，纳米粒子能提高薄膜的硬度、高温稳定性、抗塑变能力、介电及光学性能等。目前，纳米复合膜制备的方法较多，如溅射法、脉冲激光沉积、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，提供一种通过掺杂贵金属纳米粒子，从而改善薄膜介电性能、提高非线性光学效应、具有铁电、介电和光吸收特性的纳米复合稀土掺杂钛酸铋铁电薄膜。

本发明的另一个目的在于提供上述纳米复合稀土掺杂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：

一种纳米复合稀土掺杂钛酸铋铁电薄膜，该薄膜是将贵金属纳米晶粒掺杂入稀土掺杂钛酸铋铁电薄膜，从而得到贵金属纳米复合稀土掺杂钛酸铋铁电薄膜。

上述贵金属为金(Au)或银(Ag)，Au或Ag纳米颗粒掺入钛酸铋铁电薄膜后可使其光学性质或电学性质得到显著提高，实际操作时，贵金属在整个铁电薄膜中的掺杂量可选择：Ag的掺杂量为整个纳米复合稀土掺杂钛酸铋铁电薄膜总摩尔量的0％～16％；Au的掺杂量为整个纳米复合稀土掺杂钛酸铋铁电薄膜总摩尔量的0％～15％。

上述稀土(Ln)为钕Nd、镧La、钬Ho、铒Er、铕Eu、镝Dy、铥Tm或镱Yb等常用的稀土元素。

(1)制备稀土掺杂钛酸铋前驱体溶液；

(2)配制贵金属盐溶液；

(3)将步骤(2)所得贵金属盐溶液加入到步骤(1)所得稀土掺杂钛酸铋前驱体溶液中，得到纳米复合稀土掺杂钛酸铋前驱体溶液；

(4)将步骤(3)所得纳米复合稀土掺杂钛酸铋前驱体溶液旋涂在基片上镀膜，经烤胶和退火处理后，得到均匀致密无裂纹的纳米复合稀土掺杂钛酸铋铁电薄膜(掺杂有贵金属)。

上述步骤(1)中，稀土掺杂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、稀土硝酸盐和钛酸四丁酯分别作为铋、稀土和钛源，其中稀土为钕Nd、镧La、钬Ho、铒Er、铕Eu、镝Dy、铥Tm或镱Yb等，按化学式(Bi_4-xLn_x)Ti₃O₁₂，(0≤x≤0.85)进行配制；溶解硝酸铋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，贵金属盐溶液的配制可选择用乙二醇甲醚溶液溶解贵金属盐(如硝酸银或氯金酸等)，选择硫脲作为贵金属的稳定剂，因为硫脲能与Au和Ag的离子形成稳定的络合离子，如Au[SC(NH₂)₂)]⁺₂及Au[SC(NH₂)₂)]⁺₃。

上述步骤(3)中，将步骤(2)配制好的贵金属硝酸盐溶液滴加到步骤(1)配制好的稀土掺杂钛酸铋前驱体溶液中，搅拌1～2小时，获得掺杂有贵金属的纳米复合稀土掺杂钛酸铋前驱体溶液。