[发明专利]一种自掺杂钛酸锶铁电薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及功能材料领域的铁电薄膜，具体的说是一种自掺杂钛酸锶铁电薄膜及其制备方法。

背景技术

量子顺电体钛酸锶（SrTiO₃）作为一种用途广泛的电子功能材料，它具有高介电常数、低介电损耗和热稳定性等优点，被广泛的应用于电子、机械和陶瓷工业。铁电薄膜具有良好的铁电性、压电性、热释电性及非线性光学等特性，其中，钛酸锶铁电薄膜可广泛应用于微电子学、集成光学信息存储及微电子机械系统等领域。研究发现，钛酸锶是一种典型的先兆性铁电体材料，当温度从室温降到液氦温度时，钛酸锶具有很大的介电常数且一直保持在顺电状态。钛酸锶中的离子堆垛是一种理想的钙钛矿结构，任何外部的扰动或内部结构的变化都会影响到钛酸锶性能的变化，完全摩尔比的SrTiO₃为绝缘体。在缺陷的诱导下，钛酸锶出现的反常性质吸引了大量科研人员对此进行研究，如掺铌钛酸锶材料，具有超导性、半导性、铁电性、压敏性、热敏性及光敏性，介电损耗低、色散频率高，热稳定性好；掺锰钛酸锶材料，具有介电、热释电和导电等多种特性；掺镨钛酸锶材料，具有较高的光学透过率等。

钛酸锶为什么不出现铁电性以及铁电性诱导，一直是人们研究的热点问题。常用的诱导钛酸锶出现铁电性主要包括以下几个方面：第一，阳离子掺杂。通过Ba²⁺、Pb²⁺、Mn²⁺、Bi²⁺、Pr³⁺/Pr⁴⁺和Cd²⁺等半径大小不同的离子替代Sr²⁺，都可以诱导出铁电性；第二，同位素替换。通过氧同位素代替来诱导钛酸锶低温铁电性；第三，应力作用。例如在单晶衬底DyScO₃ (DSO)上生长的钛酸锶，由于和衬底晶格常数不同会造成张应力，使得钛酸锶出现了室温铁电性。总结下来，是某种缺陷造成了钛酸锶晶格畸变或产生极性微区，从而形成自发极化，出现铁电性。以上方法存在着相变温度低、合成复杂和成本高等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决现有方法所存在的相变温度低、合成复杂和成本高等问题，本发明提供一种更为简单且不需要引入其它杂质就能诱导出钛酸锶铁电性的方法，即一种自掺杂钛酸锶铁电薄膜及其制备方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种自掺杂钛酸锶铁电薄膜，由分子式为SrTi_1+xO₃的材料组成，其中，x的取值范围为0.015~0.02，Sr和Ti的摩尔比为Sr：Ti=1：（1+x）。

一种自掺杂钛酸锶铁电薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤一、按1:（1.015~1.02）：0.7的摩尔比分别称取乙酸锶、钛酸丁脂和乙酰丙酮，备用；

步骤二、将步骤一称取的乙酸锶全部溶解于纯度为99.5%的乙酸中，形成透明无色溶液后加入适量乙二醇甲醚，使溶液中乙酸锶的摩尔浓度达到0.4mol/L，搅拌1h，形成溶液A，在溶液A中加入所称取的钛酸丁酯，搅拌30min，形成溶液B，备用；

步骤三、将步骤一称取的乙酰丙酮加入到溶液B中，再添加适量的乙二醇甲醚将溶液B稀释至乙酸锶的摩尔浓度为0.3mol/L，再搅拌6~8小时，过滤得溶液C，备用；

步骤四、将步骤三制备的溶液C滴在放置在甩胶机中的洁净的镀铂硅衬底上，设置甩胶机的甩胶速度为3500 rpm，甩胶时间为30s，制得SrTi_1+xO₃湿膜，将制得的SrTi_1+xO₃湿膜在200℃下烘干5min后，在350℃下进行热分解5min，制得SrTi_1+xO₃干膜，在制得的SrTi_1+xO₃干膜上继续滴加溶液C，并依次重复上述甩胶、烘干和热分解过程，直至SrTi_1+xO₃干膜厚度达到300nm，然后在700-750℃的管式炉中、氮气气氛下退火50~60min，得到SrTi_1+xO₃薄膜。

本发明中，步骤三所形成的溶液C中乙酸和乙二醇甲醚的体积比为2：3，使得溶液C显示弱酸性。

本发明中，醋酸锶的纯度为99.2%，钛酸丁脂的纯度为98%，乙酸的纯度为99.5%，乙二醇甲醚和乙酰丙酮的纯度为99%。