[发明专利]一种基于化学法制备自支撑BaTiO3

说明书

本发明属于信息功能材料、功能薄膜和柔性电子技术领域，涉及一种基于化学法制备自支撑BaTiO₃单晶薄膜的工艺，该工艺为：在不同单晶基片上，采用化学旋涂的方式首先在基片上外延生长Sr₃Al₂O₆/BaTiO₃结构；利用Sr₃Al₂O₆的可溶于水的特性，将其浸泡在去离子水中12h小时以上，充分溶解即可得到自支撑BaTiO₃单晶薄膜。本申请可以通过控制前驱液浓度、旋涂转速、退火次数调控单晶薄膜厚度；在使用化学旋涂法生长BaTiO₃单晶薄膜过程中不会对Sr₃Al₂O₆薄膜层造成损害。该方法适用于大面积柔性功能层的剥离，对全化学法制备自支撑氧化物钙钛矿单晶薄膜具有重要意义。

技术领域：

本发明属于信息功能材料、功能薄膜和柔性电子技术领域，具体涉及到一种基于化学法制备自支撑BaTiO₃单晶薄膜的工艺。

背景技术：

随着社会的发展，柔性电子器件发展越来越重要，比如柔性电子皮肤、柔性传感器以及柔性屏幕等。但对于铁电薄膜，其外延生长过于依赖刚性基底的存在，在应用中难免受到限制，同时也会产生衬底无法重复使用，制备成本昂贵等问题。在已报道薄膜的转移方法中，利用水溶性氧化物Sr₃Al₂O₆(SAO)作为牺牲层实现自支撑薄膜制备的方法已经适用于多种单晶薄膜。但是目前基于SAO上外延单晶薄膜多采用磁控溅射、脉冲激光沉积以及分子束外延等物理法，这些方法中制备设备造价昂贵、制备过程繁琐、制备条件苛刻且成本昂贵都对其规模化普及产生了极大的阻碍，难以满足柔性电子器件增加的需求。

溶胶-凝胶法(sol-gel)制备薄膜是化学溶液沉积法(CSD)的一种，由于前驱液的成分可控，原材料来源广泛，制备设备简易，工艺参数易调，薄膜厚度可控，且制备的薄膜成分均匀，适用于多层复合薄膜的制备以及造价低廉等众多优势，对于进一步集成制备异质结构，推动柔性多铁材料及柔性电子器件的发展的具有重要意义。

然而，在使用溶胶-凝胶法制备BaTiO₃单晶薄膜时容易产生和牺牲层固溶的问题，这极大的阻碍了自支撑薄膜的制备及应用。

发明内容：

为了解决上述问题，本发明旨在提供一种基于全溶胶-凝胶工艺制备自支撑氧化物钙钛矿薄膜的方法，该方法具有成本低廉，简单易行，薄膜组成可控和基片可回收利用等多重优点。更进一步的，相比一般物理法，本发明中采用基于全溶胶-凝胶工艺制备的自支撑氧化物钙钛矿薄膜具有更高的成分均匀性，可达到原子级，该工艺下的自支撑氧化物钙钛矿薄膜表现更好的铁电、压电性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是通过大量试验摸索，首先在不同基片上外延生长可溶性物质作为牺牲层，随后在牺牲层生长氧化物钙钛矿单晶薄膜，然后利用溶剂溶解牺牲层，得到自支撑氧化物钙钛矿单晶薄膜。

本发明采取的技术方案为：一种基于化学法制备自支撑BaTiO₃单晶薄膜的工艺，所述工艺采用化学旋涂的方式在单晶基片上制备牺牲层/氧化物钙钛矿外延结构，再利用牺牲层的可溶于水的特性，将其浸泡在去离子水中，充分溶解牺牲层后即可得到自支撑BaTiO₃单晶薄膜。

进一步，具体包括以下步骤：

S1)选取特定晶面取向的基片；

S2)制备牺牲层前驱体溶液；

S3)制备BaTiO₃前驱体溶液；

S4)采用旋涂的方法将S2)得到的牺牲层前驱体溶液旋涂于S1)的基片上，热解得到无定形膜结构，随后经退火得到目标厚度的晶体薄膜；