[发明专利]钛酸锶钡与多孔硅复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料的制备技术，具体是钛酸锶钡与多孔硅复合材料及其制备方法。

背景技术

新材料的合成以及材料新用途的开拓往往会极大地丰富科学研究的领域并带动新兴产业的形成。随着科技的高速发展与各学科间的交叉渗透，一种单一性能的材料很难满足各种高要求的综合指标，功能复合材料的研究成为材料科学与工程领域的研究热点。

钛酸锶钡由于具有高介电常数、低介电损耗、低漏电流密度和高热稳定性等独特性能，它们在动态随机存取器、红外探测器、传感器、可调微波器件等许多领域有着广泛应用前景，但随着电子信息技术的发展，钛酸锶钡纳米粉体材料和纳米块体材料已经不能满足其在集成技术方面的要求，将钛酸锶钡制成高质量的薄膜已成为当务之急。为了使之与集成技术相兼容，最好在硅衬底上制备器件。然而，单晶硅并不是一个理想的衬底材料，它容易引起铁电材料与与硅衬底之间的界面反应，要想在金属与铁电与半导体(MFS)场效应晶体管电路中获得好的铁电与硅介面非常困难。众所周知，晶格失配是钛酸锶钡在硅基衬底上很难生长好的的原因之一，因为硅的晶格常数比钛酸锶钡大得多。

发明内容

本发明的目的是为了解决钛酸锶钡与硅异质结构材料晶格常数不匹配，复合后光电特性和气敏特性差的问题，而提供一种既能够保持传统多孔硅的多孔特征，同时又在尺度上具有明显层次结构的、拥有高电阻、低衬底损耗和低耦合效应新型多孔硅衬底的钛酸锶钡与多孔硅复合材料及其制备方法。

本发明钛酸锶钡与多孔硅复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备衬底材料多孔硅：将电阻率0.015Ω·cm的P型单晶硅片置入高压釜，填充由浓度介于8.00～22.00mol/l的氢氟酸(HF)和0.01～0.50mol/l的硝酸铁(Fe(NO₃)₃)溶液组成的腐蚀液，高压釜的溶液体积填充度为40～95％，在温度50～200℃下腐蚀1分钟～36小时，即制备出衬底材料多孔硅；

(2)制备钛酸锶钡溶胶；

(3)用匀胶机将钛酸锶钡溶胶旋涂在新鲜制备的多孔硅衬底上，经过100～800℃温度和一定保护气体气氛下退火，即得到传感、发光和介电特性可调的钛酸锶钡与多孔硅复合材料。

所述的制备钛酸锶钡稳定溶胶的原料主要有醋酸钡、醋酸锶、钛酸四丁酯、乙酰丙酮，其原料配比(摩尔比)为：醋酸钡∶醋酸锶∶钛酸四丁酯∶乙酰丙酮＝0.7∶0.3∶1∶2。

所述钛酸锶钡溶胶的浓度为0.001～1.0mol/L。

所述的旋涂条件为：低速为400～2000转/分钟，旋涂1～20秒；高速旋涂条件为2000～6000转/分钟，旋涂10秒～1分钟。

所述的保护气体为氧气、氮气、氩气、氢气或其他惰性气体。

本发明选用的多孔硅衬底具有相比其它硅衬底所不能比拟的结构优点和光学特性：因为该衬底属于典型的微米与纳米结构复合体系，其结构复合性体现在微米和纳米两个尺度上形成了三个分明的结构层次；在微米尺度上，多孔硅由大量均匀的、彼此很好分离的、微米尺寸的硅柱组成，所有的硅柱垂直于样品表面均匀排列并形成阵列结构；在纳米尺度上，阵列中的每个硅柱均呈多孔状，形成孔径可调的纳米多孔结构；孔壁由平均粒径为约4nm的硅纳米晶粒组成，同时，该衬底具有较高的发光效率，据测定，发光强度是阳极氧化技术制备的多孔硅的2-2.5倍，且具有在空气中长时间存放发光强度不衰减、发光峰位不蓝移等优越发光特性。由于本发明方法中钛酸锶钡是通过匀胶旋涂技术复合到多孔硅表面的，所以控制溶胶的浓度、旋涂的工艺和退火条件可以调控复合材料的结构。另外，钛酸锶钡纳米晶粒的存在不仅对多孔硅表面进行了进一步的有效钝化和保护，同时由于材料复合后，彼此之间性能的增强效应和互补效应，使得该材料产生了优越的传感性能和光电性能，如发光强度和气敏性能相比衬底材料大大增强、具有较大的剩余磁化强度和矫顽力等铁电性能。

本发明采用的水热腐蚀和旋涂匀胶技术可在室温下操作，制备条件温和，操作简便易行，重复率为100％，制得的钛酸锶钡与多孔硅复合材料具有微米、纳米双重结构特征和良好的光电性能，该材料在未来的传感器和发光器件等技术领域具有潜在的应用前景。

附图说明

图1为Si-NPA的SEM全貌图；

图2为Si-NPA的SEM侧面放大图；

图3为Si-NPA与钛酸锶钡复合材料的SEM全貌图；

图4为复合材料衬底与薄膜界面的SEM图；

图5为Si-NPA与复合材料在200℃以内退火后的荧光光谱图；