[发明专利]一种钛基体表面原位生长钛酸锶钡铁电薄膜的电解液及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能薄膜材料领域，具体涉及一种钛基体表面原位生长钛酸锶钡铁电薄膜的电解液及制备方法，可在室温下制备平整、致密、铁电性能良好的钛酸锶钡铁电薄膜，无需后续热处理，环境友好，具有较好的产业应用前景。

背景技术

铁电薄膜材料因具有优越的介电、压电、热释电、铁电性及反常光生伏打效应，而被广泛作为动态随机存储器、微波及压电器件，热释电探测器，铁电光伏电池等元器件关键材料的应用研究。ABO₃型复合钙钛矿铁电材料Ba_xSr_1-xTiO₃(BST)是BaTiO₃(BT)和SrTiO₃(ST)的无限固溶体，因具有高介电常数、低介电损耗、居里温度可调、结构稳定等特点而成为当前国内外新型功能材料研究的热点之一。

目前用于制备该类薄膜最常用的方法是磁控溅射法、溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法、金属有机物化学气相沉积这四种。它们虽然各有优点和特色，但存在各自的局限性，这些局限性主要体现在：磁控溅射法和脉冲激光沉积法要求设备高，薄膜生长速度慢，薄膜成分难以精确控制，制备大面积且均匀性好的薄膜困难；金属有机化学气相沉积法的主要问题是含有铁电膜成分的易挥发金属有机物源较难获得，且源物质纯度和稳定性难以满足要求，毒性大；溶胶-凝胶法虽然具有合成温度低，易于搀杂改性，工艺简单，成本低，成膜面积大等优点，但其较高的后续热处理温度容易形成微裂纹，使薄膜性能劣化。由此可见，研究具有化学成分可控，薄膜均匀性好，处理温度低甚至无须热处理，成膜速度快，而且可大面积制膜，易于规模化生产的薄膜制备工艺是当前铁电薄膜研究的发展趋势。

微弧氧化(MAO，MicroarcOxidation)作为一种利用电化学原理在金属表面原位生长陶瓷膜的新技术，原来主要用于铝、镁、钛等阀金属的表面防护处理，其突出优点是成膜速度快，薄膜性能优越，操作简单，不需前处理或极少前处理。20世纪90年代后，MAO开始被应用于功能性薄膜的制备。但到目前为止除本课题组外，国内外均尚未有利用微弧氧化技术直接制备钛酸锶钡铁电薄膜的报导。由于MAO成膜必须依赖于弧光放电，从而导致局部高温，致使薄膜表面疏松、不平整、粗糙度值较大，这一缺陷严重影响了薄膜的性能。本课题组通过优化微弧氧化工艺参数及电解液的方法，在钛基体表面原位生长了表面平整、致密且铁电性能优良的钛酸锶钡铁电薄膜。为铁电薄膜的低成本制备开创了一条新途径，也为我国微电子、微机械及光电信息产业的发展提供了一定的材料及技术支持。

发明内容

本发明的目的在于克服现有工艺困难，提供一种室温下能在钛金属表面快速生长钛酸锶钡铁电薄膜的电解液及制备方法。该方法工艺简单，无污染，薄膜与基体为冶金结合、结合强度高，成膜速度快，且所得薄膜平整、致密、铁电性能良好。

本发明的目的可通过如下技术方案实现。

一种在纯钛表面原位生长钛酸锶钡铁电薄膜的电解液，其主要成分包括氢氧化钡或八水氢氧化钡、氢氧化锶或氢氧化锶以及EDTA。所述主要成分的含量为：

氢氧化钡或八水氢氧化钡0.2mol/L～0.8mol/L；

氢氧化锶或八水氢氧化锶0.2mol/L～0.8mol/L；

EDTA0.01mol/L～0.1mol/L；

以及去离子水。

本发明的另一目的是提供所述电解液在纯钛表面原位生长平整、致密的钛酸锶钡铁电薄膜的制备方法。

应用所述的电解液在纯钛表面制备钛酸锶钡铁电薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将纯钛片进行预处理。

(2)将预处理后的钛片连接到阳极，并置于权利要求1所述的电解液中进行微弧氧化。反应5～20min后，钛基体表面即形成几十微米厚的钛酸锶钡铁电薄膜。

(3)将所得薄膜样品置于蒸馏水中浸泡1～2小时，最后烘干。

所述预处理为将钛片表面经180#至1000#砂纸逐级打磨光滑后，分别用丙酮和去离子水清洗，然后吹干备用。

所述电解液为按不同Ba²⁺/Sr²⁺及EDTA添加量配制，配制过程中采用磁力搅拌器边加热边搅拌，电解液设定温度为50℃～60℃，搅拌速度设定为1200～1500r/min。

所述微弧氧化工艺参数为：恒电压模式，电流密度为0.25～0.5A/cm²，脉冲频率为50Hz～250Hz，占空比为60％～95％。

所述浸泡是在超声波振荡条件下进行。