[发明专利]一种稀土掺杂的不同形貌钛酸铋纳米晶薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种稀土掺杂的不同形貌钛酸铋纳米晶薄膜及其制备方法，该钛酸铋纳米晶薄膜化学式为Bi_4‑xR_xTi₃O₁₂，其中0≤x≤0.85，R为稀土元素镧、镨或钕。其制备方法如下：首先以硝酸铋、硝酸R以及钛酸正丁酯为原料，乙二醇甲醚为溶剂，乙酰丙酮为螯合剂制备BRT溶胶；接着采用溶胶凝胶法在清洁好的基片上旋涂得到湿膜；湿膜经烤胶和退火处理后，得到BRT晶种层；然后以硝酸铋、硝酸R以及四氯化钛为原料，氢氧化钾为矿化剂制备前驱体溶液；最后将基片垂直插入前驱体溶液中进行水热反应，经洗涤、干燥即得不同形貌的钛酸铋纳米晶薄膜。本发明具有工艺过程简单、易控，成本低廉，薄膜的纯度高等优点。

技术领域

本发明属于无机功能薄膜材料技术领域，具体涉及一种稀土掺杂的不同形貌的钛酸铋纳米晶薄膜及其制备方法。

背景技术

铁电存储器以其优越的存储特性得到了人们的广泛关注，其中应用和研究最为广泛的铁电材料是锆钛酸铅Pb(Zr_1-xTi_x)O₃(简称PZT)，它具有较低处理温度和很高的自发极化强度，但是PZT薄膜也存在抗疲劳特性差、含重金属铅、易挥发，会对环境和人体造成危害等问题。近年来，铋层状材料以SrBi₂Ta₂O₉(SBT)、Bi_4-xLa_xTi₃O₁₂(BLT)为代表，特别是后者在制备温度、铁电特性和抗疲劳方面都明显优于前者，被广泛认为是最具有应用前景的铁电材料之一，引起了人们更多的关注。

钛酸铋(Bi₄Ti₃O₁₂，BIT)是一种铋层状钙钛矿结构的铁电体，具有优良的压电铁电性能，但是显著的疲劳特性限制了其发展，通过掺杂可以稳定钙钛矿结构，从而增加其抗疲劳特性。因此，深入研究掺杂对钛酸铋性能的影响，对其在非挥发性存储器、光存储器、压电及光电器件的发展具有重要意义。本发明采用溶胶凝胶法在基片上形成一层晶种层，接着采用水热法在含有晶种层的基底上制备出了稀土掺杂钛酸铋薄膜(Bi_4-xR_xTi₃O₁₂，BRT)。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述不足，提供一种稀土掺杂的不同形貌的钛酸铋纳米(微米)晶薄膜及其制备方法。该方法工艺过程简单、易控，成本低廉，可重复性强，纯度高，制备得到的薄膜可广泛应用于非挥发性存储器、光存储器、压电及光电器件等技术领域。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种稀土掺杂的钛酸铋纳米晶薄膜，该钛酸铋纳米晶薄膜由稀土掺杂钛酸铋铁电薄膜形成，化学式为Bi_4-xR_xTi₃O₁₂，其中0≤x≤0.85，R为稀土元素镧或镨或钕中的一种。

上述稀土掺杂的钛酸铋纳米晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：(a)将基片清洗干净，封存备用；(b)将硝酸铋和硝酸R溶解在乙二醇甲醚中得A溶液，将钛酸四丁酯溶于乙二醇甲醚和乙酰丙酮混合液中得B溶液，将B溶液滴入A溶液中搅拌均匀得BRT溶胶；(c)将制得的BRT混合溶胶旋涂在基片上，高温退火处理后在基片上制得晶种层；(d)配制硝酸铋-硝酸R溶液，配制四氯化钛溶液，将硝酸铋-硝酸R溶液滴入四氯化钛溶液中，搅拌均匀并调节pH至碱性得前驱物溶液；(e)将表面制有晶种层的基片置于装有前驱物溶液的反应器中，进行水热反应即得。

按照上述方案，步骤(a)中基片分别用丙酮、乙醇以及去离子水超声清洗，接着用浓硝酸、氟化铵、尿素的混合溶液清洗，最后用去离子水冲洗干净后封存在无水乙醇中备用。