[发明专利]基于梯度预晶化热处理的多层BST薄膜制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，涉及钛酸锶钡（BST）薄膜的制备方法，尤其是多层BST薄膜的制备方法。 

背景技术

要实现BST薄膜的微波实用化，BST薄膜必须在高调谐率、低介电损耗、高优质因子（调谐率与损耗之比值）的基础上，还具有低介电常数、稳定的温度和频率特性。纯BST薄膜的介电常数、调谐率和介电损耗因其强烈的铁电性而均很高，温度和频率特性差，特别是介电损耗往往在3%以上，有时甚至在6%以上，严重制约BST薄膜的微波应用。人们进行了大量有关成分优化、结构改善、工艺改进等方面的研究，但多以改善某个性能而牺牲其它性能为代价，难以克服该局限性。 

本申请发明人近年来致力于BST薄膜的共掺杂、交替掺杂、梯度掺杂、均匀预晶化热处理等研究，提高了BST薄膜的综合介电性能，明显减轻了该局限性。文献1—《一种纳米晶BST薄膜的制备方法》(ZL200910216407.7)表明，在逐层制备薄膜的过程中对每层薄膜进行均匀预晶化热处理(preheating)可使薄膜层状生长、晶化增强及形貌改善，进而使介电常数和调谐率显著提高、使介电损耗降低。所谓均匀预晶化热处理是在用溶胶-凝胶(sol-gel)法逐层制备薄膜的过层中，在制备每层BST薄膜的“热解”和“冷却”之间添加一个“预晶化热处理”步骤，加热到固定温度后保温固定时间，形成仔晶层作为下一层薄膜生长的模板，从而显著改善薄膜显微组织结构的均匀性和致密性、增强薄膜的晶化、改善薄膜的生长行为，最终获得高质量薄膜，显著提高介电性能尤其是介电常数和调谐率。如前所述，对于微波应用的BST薄膜，除了需要高的调谐率外，低的介电损耗至关重要，需要稳定的介电温度和介电频率特性作为可靠性的保障，也需要低的介电常数更好匹配阻抗。显然，均匀预晶化热处理在提高温度和频率稳定性、减小介电常数、尤其是减小介电损耗等方面需要创新。文献2—(Surface&coatings technology,2012,206,4518-4524)报道，sol-gel法制备的纯BST薄膜在进行均匀预晶化热处理之前的调谐率、介电常数和介电损耗分别为44%、350～623和4.51%～5.37%，而均匀预晶化热处理后的分别为65.3%、705～2029和4.24%～6.17%，进一步表明均匀预晶化热处理在降低损耗及介电常数方面需要创新。 

文献3—《一种二元梯度掺杂钛酸锶钡薄膜的制备方法》(ZL201110024443.0)表明，在逐层制备薄膜的过程中使每层薄膜的掺杂浓度梯度变化可以形成呈梯度变化的层间结构，不但 可以显著减小漏电流密度，还充当阻挡载流子运输的异质结阻挡层，使介电损耗显著降低，还可显著提高BST薄膜的介温稳定性和减小介电常数。但是，二元梯度掺杂涉及的工艺参数多、流程复杂，在减小介电常数的同时使调谐率偏低，因此，二元梯度掺杂也需要创新，简化有关工艺流程和提高调谐率。 

均匀预晶化热处理和梯度掺杂均通过改善薄膜层间结构来改善介电性能，前者通过工艺改善结构，后者通过成分改善结构，比较而言，前者流程简捷而能显著提高调谐率，后者能显著降低损耗和提高稳定性。 

发明内容

本发明在逐层制备多层BST薄膜的过程中，将“梯度”概念引入“预晶化热处理”中，对预晶化热处理的温度和/或时间进行梯度设计，对薄膜进行梯度预晶化热处理，不但大大简化流程，而且发挥预晶化热处理和梯度的互补优势，形成缓慢均匀变化的梯度结构，大幅度提高综合介电性能而满足微波应用。 

本发明技术方案如下： 

基于温度和时间梯度预晶化热处理的多层BST薄膜制备方法，包括以下步骤： 

步骤1：配制原子摩尔比为Ba:Sr:Ti=X:(1-X):3、浓度为0.2～0.4M的BST溶胶，其中X为小于1的正数； 

步骤2：将步骤1所配制的BST溶胶均匀涂覆于基片上，然后经干燥、热解、预晶化热处理及冷却后得第一层BST薄膜；其中预晶化热处理温度为T₁，预晶化热处理时间为t₁，且T₁=550±10℃、10min≤t₁≤20min；