[发明专利]一种稀土掺杂钛酸铋上转换发光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，具体涉及一种稀土掺杂钛酸铋铁电薄膜，尤其涉及一种稀土掺杂钛酸铋上转换发光铁电薄膜及其制备方法。

背景技术

稀土掺杂钛酸铋铁电[(Bi_4-xLn_x)Ti₃O₁₂]薄膜材料具有优良的铁电、压电、介电、热释电和电光等性能，在微电子学、光电子学和集成光学领域具有潜在应用价值，随着薄膜制备技术和半导体集成工艺技术的发展，这种集多功能为一体的薄膜材料将发挥重要作用。

稀土掺杂钛酸铋铁电薄膜的发光性能往往被忽视。作为发光中心的稀土离子Er³⁺、Eu³⁺、Pr³⁺、Tm³⁺、Dy³⁺、Ho³⁺以及敏化稀土离子Yb³⁺、Gd³⁺、La³⁺，如Er³⁺和Yb³⁺共掺杂，可提高材料的上转换发光性能；同时，钛酸铋具有优良的化学稳定性和热稳定性，且对稀土元素具有很大的包容度，因此稀土掺杂钛酸铋铁电薄膜也是一种潜在的稀土发光材料，在研究和提高薄膜材料已有电学性能的基础上，进一步研究材料的发光性能，可以极大拓展该材料的应用范围。

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、化学溶液沉积法等。各种方法都有其优缺点。相比而言，化学溶液沉积法是一种广泛采用的非真空制备薄膜的方法，具有易于控制薄膜成分，均匀性好，易于大面积成膜、而且制备成本低，热处理温度低，易于大面积成膜等优点，是薄膜制备的重要技术手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好上转换发光性能的，由稀土离子Er³⁺和Yb³⁺共掺杂的钛酸铋上转换发光铁电薄膜。

本发明的另一个目的在于提供上述稀土掺杂钛酸铋上转换发光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：

一种稀土掺杂钛酸铋上转换发光铁电薄膜，其分子式为(Bi_4-x-yEr_xYb_y)Ti₃O₁₂，其中0＜x≤0.85，0＜y≤0.85，0＜x+y≤0.85。

该稀土掺杂钛酸铋上转换发光铁电薄膜中，通过Er³⁺离子掺杂，使得钛酸铋薄膜同时具有一定的电学性能和上转换发光性能；同时掺入Yb³⁺离子后，钛酸铋薄膜的铁电性能和上转换发光性能均得到进一步的提高。

上述稀土掺杂钛酸铋上转换发光铁电薄膜的制备采用化学溶液沉积，包括前驱体溶液的配制和成膜工艺的选择，具体包括如下步骤：

(1)分别以硝酸铋、稀土硝酸盐和钛酸四丁酯作为铋、稀土掺杂元素和钛的前躯体，并且按化学式(Bi_4-x-yEr_xYb_y)Ti₃O₁₂(0＜x+y≤0.85)进行配制，制备稀土掺杂钛酸铋前驱体溶液；

(2)将步骤(1)所得稀土掺杂钛酸铋前驱体溶液旋涂在基片上，旋转涂覆得到稀土掺杂钛酸铋前驱膜；

(3)将步骤(2)所得稀土掺杂钛酸铋前驱膜经热处理后，冷却到室温，制备得到本发明的稀土掺杂钛酸铋上转换发光铁电薄膜。

上述步骤(1)中，以硝酸铋、稀土硝酸盐和钛酸四丁酯作为铋、稀土掺杂元素和钛的前躯体，并且按化学式(Bi_4-x-yEr_xYb_y)Ti₃O₁₂(0＜x+y≤0.85)进行配制，参考现有技术中本领域技术人员制备稀土掺杂钛酸铋前驱体溶液的操作，均可实现本发明，如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；前述前躯体和溶剂的用量根据配制前躯体溶液所需总量和选用的前驱液最终浓度计算；前述加入乙酰丙酮的物质的量与钛酸四丁酯的物质的量相等。

上述步骤(1)中，稀土硝酸盐为硝酸铒和硝酸镱。

上述步骤(1)中，为弥补退火过程中铋的挥发，硝酸铋在化学计量摩尔比基础上过量10％。