[发明专利]铁酸铋-钛酸铅/FTO导电玻璃结构材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是在FTO(掺氟的SnO₂)导电玻璃衬底上通过溶胶-凝胶工艺制备出具有优良铁电存储及可见光光电响应功能的高质量铁酸铋-钛酸铅薄膜，属于无机非金属材料制备工艺技术领域。

背景技术

铁酸铋(BiFeO₃、BFO) 是一种单相的多铁性材料，即集铁电、铁磁、铁弹性能于一体。且具有磁电耦合效应。而BFO的禁带宽度约为1.84~2.81eV (674~441nm) 处于可见光波段内，理论上可表现出良好的可见光光电响应。因此BFO可用于开发磁－电、光－电多自由度互控的存储器、传感器、探测器等多功能光、电子器件，服役于航天、汽车工业、生物、医学、信息等技术领域。由于BFO的相变温度高于室温(铁电相变温度为830^oC，磁性转变温度为370^oC)，能够利用太阳能的可见光，并且不含铅，因此其服役环境相当环保。

然而由于BFO中的Fe³⁺离子在材料制备过程中容易受制备环境的影响而发生变价，导致生成额外的电子而致使BFO材料绝缘性能的降低，最终将影响器件的性能。因此除了提升BFO的制备手段及环境之外，将BFO与其他钙钛矿材料固溶以稳定其绝缘性也是一种可取的方法。后者对于制备应用于微型器件中的薄膜材料而言，可以大为降低材料的制备成本。其中上世纪60年代提出的BiFeO₃-PbTiO₃固溶体系具有高绝缘性，强铁电性，可以作为提及的微型多功能器件的薄膜候选材料。当将PbTiO₃ (PT)含量降低至0.3时，即BFO含量为0.7，此时的0.7BFO-0.3PT组分薄膜具有优化的铁电、介电性能，且帶隙为2.89eV，可利用可见光，在应用于微型光电子器件方面有很大的开发空间。而且0.7BFO-0.3PT薄膜材料的含铅量较低，属于相对环境友好的材料。

薄膜材料在器件应用上的开发还需选择合适的支撑基板。0.7BFO-0.3PT薄膜可用于研制集铁电存储、可见光光电响应于一体方面的光电子功能器件，因此掺氟的SnO₂，即FTO导电玻璃很适合作为相应的支撑基板。

本发明的0.7BFO-0.3PT薄膜以溶胶-凝胶旋涂法制备所得。这种方法工艺简单，容易控制薄膜组分的化学计量比，容易形成大面积的均匀膜，适合制备多组分薄膜材料。然而尽管溶胶-凝胶方法制备薄膜具有方便、周期短，易于控制等优点，对于特定的薄膜材料，在溶胶的前驱体配置过程中存在特定的添加配比窗口，否则难以制备得到具有预期性能的薄膜材料。

本发明采用FTO(掺氟的SnO₂)导电玻璃作为衬底，以溶胶-凝胶方法制备得到集铁电存储与可见光光电响应功能于一身的铁酸铋－钛酸铅(0.7BFO-0.3PT)薄膜/FTO导电玻璃结构材料。本发明的试验中制备了铂金Pt上电极对其电学性能进行测试研究；为了尽可能减少上电极对其光电响应的影响，对制备的薄膜材料也制备了ITO(掺Sn的In₂O₃)透明上电极，以进行光电响应的研究。

发明内容

本发明的目的是在FTO(掺氟的SnO₂)导电玻璃上，通过溶胶凝胶工艺过程中对溶胶前驱液中添加剂配比的调整，在大气环境中制备出结晶性良好的具有铁电存储及可见光光电响应的铁酸铋-钛酸铅(0.7BFO-0.3PT)薄膜材料。

本发明是一种具有铁电存储及可见光光电响应功能的铁酸铋-钛酸铅/FTO玻璃结构材料的制备方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：

a.       FTO导电玻璃衬底的预处理：

用丙酮轻擦洗衬底表面，再经过丙酮、无水乙醇3次超声振荡，每次至少5分钟，最后用去离子水清洗，烘干备用；

b.       铁酸铋-钛酸铅(0.7BFO-0.3PT)溶胶的制备：

(1) 用分析天平称取一定量的钛酸正四丁酯，加入适量乙二醇甲醚；称取一定量醋酸铅，60⁰C油浴搅拌至澄清；之后加入一定量的混合液；混合液组成为：水，冰醋酸与乙二醇甲醚三者按一定的摩尔比例1:2:1混合制成；配置得到钛酸铅的前驱体溶液；