[发明专利]一种掺杂型Bi4Ti3O12 薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Bi₄Ti₃O₁₂薄膜及其制备方法，具体涉及一种掺杂型Bi₄Ti₃O₁₂薄膜及其制备方法。

背景技术

钛酸铋(Bi₄Ti₃O₁₂)作为一种典型的铋系层状钙钛矿结构的铁电材料，具有优良的压电、铁电、热释电和电等性能。Bi₄Ti₃O₁₂的晶体结构是各向异性的立方结构，它由(Bi₂O₂)²⁺和(Bi₂Ti₃O₁₀)^2-钙钛矿结构层相间隔而成。在(Bi₂Ti₃O₁₀)^2-钙钛矿结构层单元中，Ti离子被氧八面体包围，构成O-Ti-O键，Bi离子位于TiO₆八面体网格的空隙中，2个(Bi₂O₂)²⁺层的高度是6个Ti-O键的长度。其铁电-顺电相变属一级相变，由于单斜相的单胞十分接近正交晶系，故晶格参数可用正交晶系来描述：a=0.5450，b=0.5406，c=3.2832nm。它的自发极化矢量位于a-c平面内，与a轴成大约4.5°角，沿a轴和c轴自发极化分量相差很大，分别是50μC/cm²和4μC/cm²。

近年来，人们对Bi₄Ti₃O₁₂薄膜的A位的Bi和B位的Ti进行了多种掺杂研究。掺杂后的薄膜性能在剩余极化、抗疲劳特性等方面有了很大的提高。根据掺杂对于离子半径、居里温度稳定(Tc>400℃)、易于生成稳定的钙钛矿结构的要求，可以在Bi₄Ti₃O₁₂的A位进行掺杂的稀土元素有La、Nd、Pr、Sm、Eu、Gd等。而在B位，常常进行高价的施主离子掺杂，如Nb、V、W等。对于A位稀土元素的掺杂，Uong Chon等人认为，掺杂会使铋氧层中间的3个氧八面体中，上下两个氧八面体的Ti的位置具有高度不对称的双势阱，导致自发极化沿c轴方向偏转增大，从而使BIT薄膜的c轴方向的剩余极化增大。而对于B位掺杂来说，剩余极化的增大主要是由于薄膜的c轴取向度减小的缘故，与掺杂离子本身的属性无关。

目前，Bi₄Ti₃O₁₂薄膜的制备方法主要有金属有机化学气相沉积、溶胶－凝胶法、磁控溅射法和脉冲激光沉积法。这些制备工艺通常设备较为复杂、需要严格的真空环境和工艺制度、成本昂贵，或是需要高温煅烧工艺处理，制备过程造成污染，都不能实现工艺简单，节约能源及环境友好的目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种掺杂型Bi₄Ti₃O₁₂薄膜及其制备方法，该方法制备工艺简单、薄膜厚度易于控制且环境友好，制备的掺杂型Bi₄Ti₃O₁₂薄膜晶相发育完全、纯度高，薄膜表面光滑、平整、均匀致密，且薄膜与基板结合牢固。

为了达到上述目的，本发明的掺杂型Bi₄Ti₃O₁₂薄膜，化学式为Bi₄Ti_3-xHf_xO₁₂，其中，x=0.01～0.15。

一种掺杂型Bi₄Ti₃O₁₂薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1）OTS单分子层的制备及功能化：

将洁净的基板放入OTS和甲苯的混合溶液中沉积，使得基板表面生成OTS单分子膜层，随后除去基板表面残留溶液，再于紫外光下照射35-50min，从而实现OTS表面功能化，得到附着功能化的OTS单层膜基板；

2）前驱液的配制：