[发明专利]一种用于制备钛酸铋钠取向薄膜的方法及其产品

说明书

技术领域

本发明属于薄膜材料技术领域，更具体地，涉及一种用于制备钛酸铋钠取向薄膜的方法及其产品。

背景技术

钛酸铋钠是一种A位复合钙钛矿型铁电体,具有铁电性强、压电系数大、介电常数小、声学性能好等特点，因此是最有希望替代传统含铅压电材料的候选材料之一。从目前的研究结果来看，在衬底上譬如通过磁控溅射等工艺镀上钛酸铋钠膜层的薄膜（也即钛酸铋钠薄膜）的铁电性能远低于对应的体材料，还不能满足实际应用的要求。由于铁电材料的电、光等性能具有各向异性，相应地，通过制备取向薄膜的方式，可获得与多晶薄膜相比更优异的性能。

目前，现有技术中常规的钛酸铋钠取向薄膜制备方法包括有射频磁控溅射法、金属有机化学气相沉积法、脉冲激光沉积法及溶胶－凝胶法等。然而对于现有的制备方法，其存在的主要缺陷在于：1、这些制备工艺中需要利用单晶钛酸锶或单晶氧化镁之类的材料为衬底，原料成本高昂；2、单晶钛酸锶或单晶氧化镁可能会与钛酸铋钠反应，由此会影响到最终薄膜的铁电性能；3、由于在制造过程中必须引入单晶衬底，这样会导致整体工艺流程复杂化，加大了质量控制的难度，并难以适应大批量规模生产。因此，若能在多晶衬底条件下制备出钛酸铋钠取向薄膜，无论对所制备器件的小型化和集成化还是大批量工业生产而言，都具备重要的科学意义和实用价值。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和技术需求，本发明的目的在于提供一种用于制备钛酸铋钠取向薄膜的方法及其产品，其通过对关键反应物及其反应条件的改进，可以克服薄膜对单晶衬底的依赖性，并且整体制备过程工艺简单、便于控制，所制得的钛酸铋钠取向薄膜致密度高、晶粒细小，取向性好。

按照本发明的一个方面，提供了一种用于制备钛酸铋钠取向薄膜的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（a）将层状取向的钛酸分散到正丙胺溶液中，由此在正丙胺的作用下剥离形成呈二维纳米单片结构的钛酸并形成相应的悬浮液；

（b）使用步骤（a）所形成的一部分悬浮液，通过旋涂法将该悬浮液旋涂在多晶衬底上，由此形成钛酸取向薄膜；此外，向所述悬浮液中依次加入Bi(NO₃)₃·5H₂O和NaOH并进行搅拌，其中Bi³⁺的浓度为0.05~0.5mol/L，NaOH的浓度为8~12mol/L，由此得到混合悬浮液；

（c）将步骤（b）所得到的混合悬浮液转入到水热反应釜中并添加去离子水，然后将所述钛酸取向薄膜同样置于其中，在120~200℃的条件下水热处理6~72小时，由此制得钛酸铋钠取向薄膜产品。

通过以上构思，由于采用钛酸取向薄膜作为前驱体薄膜，并通过原位反应的方式来生成高取向的钛酸铋钠薄膜，这样既避免了单晶衬底的使用，又能够有效避免杂质离子的引入；此外，由于通过原位反应方式来生成钛酸铋钠取向薄膜，其整体制备过程工艺简单、便于操作，反应效率高，因此尤其适用于大批量的规模化生成，并且所制得的取向薄膜产品在各项性能参数方面与现有技术相比均有明显改善。

作为进一步优选地，在步骤（b）中，通过旋涂法形成钛酸取向薄膜的具体操作过程为：首先采用400~600r/min的转速执行旋涂1秒，然后以2000~2500r/min的转速执行旋涂30秒；重复以上操作20~40次，其中每隔5次将多晶衬底在100~150℃的条件下予以烘干；最后，将完成上述次数操作后的多晶衬底于300~450℃的条件下煅烧1~2小时，由此形成钛酸取向薄膜。

通过以上对旋涂操作过程的具体工艺参数的限定，较多的对比测试表明，由于首先采用了如上给出的较低低速然后以更高转速来执行旋涂，这样在旋涂过程中有利于悬浮液均匀分布在多晶衬底上，而且作为固体形态的钛酸单片能够继续保留在衬底上而将其他的溶剂抛撒出去，由此可改善取向性；此外，通过采用以上工艺参数来执行煅烧处理，能够进一步提高钛酸薄膜的取向性。

作为进一步优选地，所述多晶衬底为Pt衬底或Si衬底。

通过采用Pt作为多晶衬底，可以在铁电测试中直接作为底电极使用，从而方便测试的进行；而Si衬底作为集成电路中常规使用的衬底材料，能够方便后续加工处理的进行。

作为进一步优选地，在步骤（c）中，所转入的混合悬浮液及所添加的去离子水的总量占水热反应釜体积的50~80%。