[发明专利]一种二元交替掺杂BST薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，涉及纳米晶钛酸锶钡(BST)薄膜的制备方法。

背景技术

BST薄膜因介电常数随外加电场呈非线性变化，具有高的介电调谐率，在微波器件领域 具有广泛的应用前景。例如，BST薄膜移相器被认为是替代铁氧体移相器和半导体二极管移 相器的最佳候选。但是，要实现BST薄膜在微波领域的应用，除了高的介电调谐率外，还需 要低的介电损耗、高的稳定性，特别是高的介电调谐率与介电损耗之比值即K因子，因为K因 子是BST综合介电调谐性能的一个重要标志。BST是典型的ABO₃型钙钛矿结构，K因子很难 提高，以至于近十多年来人们进行了大量研究，个别性能指标有明显突破，但K因子仍未见 明显突破，例如，介电调谐率20％～50％，介电损耗0.03～0.1，K因子2～15。

另一方面，要实现BST薄膜移相器对铁氧体移相器和半导体二极管移相器的真正取代， 还必须克服常规薄膜制备方法的局限性。常规薄膜制备方法有射频磁控溅射、脉冲激光沉积、 金属有机化学气相沉积及溶胶-凝胶方法等。其中，前三者设备均比较昂贵，而且射频磁控溅 射的沉积速率慢、薄膜和靶材的成分相差悬殊，脉冲激光沉积薄膜均匀性差，金属有机化学 气相沉积金属有机源难找且昂贵。溶胶-凝胶方法廉价方便，但制备的薄膜裂纹严重、致密性 差、缩孔多等。针对这些局限性，有诸多局部改进的报道，但能大幅度提高BST薄膜综合介 电调谐性能的文献报道难找。

发明内容

本发明提供一种二元交替掺杂BST薄膜的制备方法，在进行Mn、Y二元掺杂的同时，对 常规溶胶-凝胶方法制备BST薄膜的“匀胶、干燥、热解、冷却、晶化”步骤进行改进，在“冷 却”和“晶化”步骤之间添加“预晶化”步骤；所制备的BST薄膜光滑致密，有效克服了常 规溶胶-凝胶方法制备的BST薄膜因在晶化过程中分解和挥发大量的有机物而使薄膜产生缩 孔、应力和裂纹的局限性，显著改善了BST薄膜与基体之间的界面匹配关系，实现了BST薄 膜在大气环境中的类外延生长。因此，本发明能够显著提高BST薄膜的综合介电调谐性能(K 因子)，为实现BST薄膜移相器真正取代铁氧体移相器和半导体二极管移相器提供了可能。

本发明技术方案如下：

一种二元交替掺杂BST薄膜的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：制备掺Mn(锰)的BST溶胶和掺Y(钇)的BST溶胶，具体包括以下步骤：

步骤1-1：将摩尔比为Ba∶Sr＝x∶(1-x)的可溶于冰醋酸的无机钡盐和无机锶盐溶于冰醋酸 中，于60～80℃温度条件下搅拌60～120分钟形成钡锶前驱液，其中0＜x＜1。

步骤1-2：将摩尔比为1∶2的钛酸丁酯与乙酰丙酮混合加热并搅拌60～120分钟形成钛前驱 液。

步骤1-3：将可溶于冰醋酸的无机锰盐溶于冰醋酸中，于60～80℃温度条件下搅拌60～120 分钟形成锰前驱液。

步骤1-4：将可溶于冰醋酸的无机钇盐溶于冰醋酸中，于60～80℃温度条件下搅拌60～120 分钟形成钇前驱液。

步骤1-5：将步骤1-1所得的钡锶前驱液、步骤1-2所得的钛前驱液和步骤1-3所得的锰前驱 液混合，其中钡锶前驱液中Ba和Sr的摩尔量之和、钛前驱液中Ti摩尔量和锰前驱液中Mn摩尔 量三者之间的摩尔比为1∶(1～1.2)∶(0.005～0.05)；然后在混合前驱液中滴加相当于Ti摩尔量 0.5％～1％的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，调节混合前驱液PH值在3～4之间；再在60～80℃温度条件 下搅拌60～120分钟；最后用乙二醇甲醚定容得到0.2～0.4摩尔/升稳定的掺Mn的BST溶胶。

步骤1-6：将步骤1-1所得的钡锶前驱液、步骤1-2所得的钛前驱液和步骤1-4所得的钇前驱 液混合，其中钡锶前驱液中Ba和Sr的摩尔量之和、钛前驱液中Ti摩尔量和钇前驱液中Y摩尔量 三者之间的摩尔比为1∶(1～1.2)∶(0.005～0.05)；然后在混合前驱液中滴加相当于Ti摩尔量 0.5％～1％的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，调节混合前驱液PH值在3～4之间；再在60～80℃温度条件 下搅拌60～120分钟；最后用乙二醇甲醚定容得到0.2～0.4摩尔/升稳定的掺Y的BST溶胶。

步骤2：制备单层掺Mn的BST薄膜，具体包括以下步骤：