[发明专利]高掺杂BaTiO3:Fe多铁薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高Fe含量掺杂BaTiO₃多铁薄膜材料及其制备方法，属于材料科学领域。

背景技术

BaTiO₃是一种具有光伏、压电、铁电、电光和非线性光学性能的材料，在存储器、光伏和光探测等方面有着实际的和潜在的应用。通过掺杂，BaTiO₃的某些性能可以得到提高和改善。Fe是一种重要的掺杂元素，Fe掺杂BaTiO₃同时具有铁电性和铁磁性，是一种潜在的新型多铁材料。目前，Fe掺杂BaTiO₃薄膜的制备方法有脉冲激光沉积、磁控溅射、化学气相沉积和溶胶凝胶法等等。前三种制备方法的设备昂贵，而且制备过程复杂，不利于大规模生产；而在现有溶胶凝胶法制备过程中，要么利用昂贵原料如乙醇铁[J Mater Chem 16,1626,2006]、异丙醇铁[J Appl Phys 88，1008，2000]和甲基二茂铁甲醇[US Patent 7795663B2]，或者利用较强毒性溶剂如二乙醇胺[US Patent 7795663B2]，要么铁掺杂量不超过1％[Mater Lett63,2622,2009]。这些都不利于对Fe掺杂BaTiO₃薄膜的深入和广泛的研究以及其器件商业化规模生产，所以寻找低成本、工艺简单且环保的方法制备高Fe含量掺杂BaTiO₃多铁薄膜势在必行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种低成本，高重复性，适用于大规模工业生产的高效生长高掺杂BaTiO₃:Fe薄膜的方法。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种高掺杂BaTiO₃:Fe多铁薄膜材料，其分子式为BaTi_1-xFe_xO₃，x为掺杂成分的原子比，x＝0.01～0.4。

按上述方案，所述的x＝0.05～0.2。

按上述方案，所述的高掺杂BaTiO₃:Fe多铁薄膜材料的厚度为100～700nm，其晶粒大小为20～120nm。

所述的高掺杂BaTiO₃:Fe多铁薄膜材料的制备方法，包括有如下依次步骤：

1)前驱体制备

将可溶于醇和有机酸的Fe源、Ba源和Ti源溶于醇、有机酸和乙酰丙酮，经搅拌溶解后，加入乙二醇或者乙二醇与聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液，再经搅拌得到澄清透明棕红色溶液，密闭，高温陈化过滤所述溶液制得高掺杂BaTiO₃:Fe溶胶前驱体；其中Ba离子浓度为0.01～1mol/l；

2)衬底清洗预处理

选择衬底清洗，将其在丙酮，酒精和去离子水中分别超声1～15分钟，再用高纯N₂吹干，在300～850℃退火3～5分钟；

3)高掺杂BaTiO₃:Fe多铁薄膜的制备

将步骤1)制得的高掺杂BaTiO₃:Fe溶胶前驱体旋涂于步骤2)所述的衬底上，然后在200～850℃之间对其进行阶梯退火；

4)多次重复步骤3)的涂胶、退火过程，得到需要厚度的薄膜样品；

5)电极制备：向步骤4)制得的导电衬底的高掺杂BaTiO₃:Fe多铁薄膜上，溅射Pt或者Au电极。

按上述方案，所述的衬底为Si、石英、BaTiO₃、LaAlO₃、LaNiO₃、ZrO₂、SrTiO₃、LaNiO₃/Si、Pt/TiO₂/SiO₂/Si、Pt/Ti/SiO₂/Si或Nb:SrTiO₃。

按上述方案，步骤1)中所述的Fe源为硝酸铁、硝酸亚铁、氯化铁或氯化亚铁；Ba源为乙酸钡、氯化钡或钛酸钡；Ti源为钛酸四丁酯或四氯化钛；醇为无水乙醇或异丙醇；有机酸为冰醋酸、酒石酸或柠檬酸。

按上述方案，步骤1)所述的醇和乙酰丙酮体积比为10:1～1:1，其混合液要先于Ti源加入，且Ti源要在室温～80℃温区缓慢加入。

按上述方案，步骤1)中乙二醇与聚乙烯吡咯烷酮体积比1:0.001～1:0.5。