一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法

摘要

一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法，它涉及一种铁电薄膜的制备方法。它解决了现有方法制备出的铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜铁电性能差、电光学性能差、纯度低、致密度低及在制备过程中烧结温度高的问题。方法：1.称取原材料；2.制溶液A；3.制溶液B；4.制溶液C；5.制(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTiO3溶胶；6.将基片预处理；7.利用匀胶机将溶胶涂覆到基片上，然后烘干制薄膜D；8.将薄膜D在快速热处理炉中焙烧，然后冷却至室温即得到PMN-PT铁电薄膜。本方法制备出来的铁电薄膜具有优异的铁电性能及电光学性能，高纯度、高密度和较低的晶化温度，本发明工艺简单、设备简单、制备周期短及所用原材料价格低廉、市场上即可购得、成本低。

权利要求

1.一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法，其特征在于制备铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的方法按以下步骤实现：一、依照化学式(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTiO3，按化学计量比分别称取醋酸铅、乙酸镁、乙醇铌和钛酸四丁酯，其中0.30＜x＜0.35；二、按以下比例向3.5g醋酸铅中加入1.8～2.5mL的冰乙酸和9.0～11.0mL的乙二醇甲醚，然后在室温条件下搅拌10～30min，得溶液A；三、按以下比例向0.4g的乙酸镁和3.5g的乙醇铌混合物中加入1.8～2.5mL的冰乙酸和9.0～11.0mL的乙二醇甲醚，然后在温度为60～100℃条件下加热回流搅拌20～60min，得溶液B；四、将0.9g钛酸四丁酯加入到溶液B中，在温度为

80～120℃条件下加热回流搅拌20～60min，得溶液C；五、将溶液A与溶液C混合后加入

0.5～1.0g乙酰丙酮，然后在室温条件下搅拌20～40min，得(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTiO3溶胶；六、将基片依次在丙酮和无水乙醇中超声处理4～6min，然后置于空气中自然干燥；

七、在经步骤六处理后的基片上滴加(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTiO3溶胶，在匀胶速度1000～

2000r/min的条件下旋转涂敷10s，再以匀胶速度3500～4500r/min的条件下旋转涂敷20s后在温度为40～80℃条件下烘干，得薄膜D；八、将薄膜D放入快速热处理炉中在温度为

640℃条件下焙烧10～14min，随炉冷却至室温，即得铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法，其特征在于步骤一中x＝0.32。

3.根据权利要求1所述的一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法，其特征在于步骤一中x＝0.34。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法，其特征在于步骤六中基片为Pt/Ti/SiO2/Si基片。

5.根据权利要求4所述的一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法，其特征在于步骤七中在匀胶速度1200～1800r/min的条件下旋转涂敷10s。

6.根据权利要求1、2、3或5所述的一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法，其特征在于步骤七中再以匀胶速度3800～4200r/min的条件下旋转涂敷20s。

7.根据权利要求6所述的一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法，其特征在于步骤七中在温度为50～70℃条件下烘干。

说明书

一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种铁电薄膜的制备方法。

背景技术

[0002] 钙钛矿结构铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)是弛豫铁电体的典型代表，它不但是一种性能优异的铁电材料，又因其具有独特的电学、光学和光电子学性能(具有高介电常数，大的电致伸缩效应和压电偏压可调的特性)，在现代微电子、微机电系统、信息存储等方面有着广阔的应用前景，因此得到广泛关注。

[0003] 目前制备的铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜方法较多，但是在制备过程中却因PbO在高温下易挥发，尤其是当温度高于950℃时，铅会大量挥发，将会严重污染环境；又因PbO的挥发还会造成铁电薄膜间各组分的偏离，将伴随立方或者菱面体焦绿石相的出现，影响了材料本身的铁电和电光性能；现在存在的这些问题导致了铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的铁电性能差、电光学性能差、纯度低、致密度低及在制备过程中烧结温度高的问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了解决现有方法制备出的铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜铁电性能差、电光学性能差、纯度低、致密度低及在制备过程中烧结温度高的问题，提供了一种铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的制备方法。

[0005] 制备铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的方法按以下步骤实现：一、依照化学式(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTiO3，按化学计量比分别称取醋酸铅、乙酸镁、乙醇铌和钛酸四丁酯，其中0.30＜x＜0.35；二、按以下比例向3.5g醋酸铅中加入1.8～2.5mL的冰乙酸和9.0～
11.0mL的乙二醇甲醚，然后在室温条件下搅拌10～30min，得溶液A；三、按以下比例向
0.4g的乙酸镁和3.5g的乙醇铌混合物中加入1.8～2.5mL的冰乙酸和9.0～11.0mL的乙二醇甲醚，然后在温度为60～100℃条件下加热回流搅拌20～60min，得溶液B；四、将
0.9g钛酸四丁酯加入到溶液B中，在温度为80～120℃条件下加热回流搅拌20～60min，得溶液C；五、将溶液A与溶液C混合后加入0.5～1.0g乙酰丙酮，然后在室温条件下搅拌20～40min，得(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTiO3溶胶；六、将基片依次在丙酮和无水乙醇中超声处理4～6min，然后置于空气中自然干燥；七、在经步骤六处理后的基片上滴加(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTiO3溶胶，在匀胶速度1000～2000r/min的条件下旋转涂敷10s，再以匀胶速度3500～4500r/min的条件下旋转涂敷20s后在温度为40～80℃条件下烘干，得薄膜D；八、将薄膜D放入快速热处理炉中在温度为630～650℃条件下焙烧8～15min，随炉冷却至室温，即得铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜。

[0006] 本发明采用溶胶-凝胶旋涂法制得的铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜表面光滑、致密。

[0007] 本发明的方法整个过程的最高温度也仅仅为650℃，铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜各组分在份子级均匀混合，烧结温度低，有效的抑制了铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜中有效成分(PbO)的挥发；低温下得到的薄膜铁电性能将增强，电光学性能也将变强、高纯度且薄膜间致密

[0008] 本发明工艺简单、设备简单、制备周期短及所用原材料价格低廉、市场上即可购得、成本低，易于器件集成，适合于工业化生成。

附图说明

[0009] 图1是具体实施方式二十六中所得铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的XRD图，图2是具体实施方式二十六中所得铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的二维AFM图，图3是具体实施方式二十六中所得铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的三维AFM图，图4是具体实施方式二十六中所得铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的SEM截面图。

具体实施方式

[0010] 本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

[0011] 具体实施方式一：本实施方式制备铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的方法按以下步骤实现：一、依照化学式(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTiO3，按化学计量比分别称取醋酸铅、乙酸镁、乙醇铌和钛酸四丁酯，其中0.30＜x＜0.35；二、按以下比例向3.5g醋酸铅中加入1.8～2.5mL的冰乙酸和9.0～11.0mL的乙二醇甲醚，然后在室温条件下搅拌10～30min，得溶液A；三、按以下比例向0.4g的乙酸镁和3.5g的乙醇铌混合物中加入1.8～2.5mL的冰乙酸和9.0～11.0mL的乙二醇甲醚，然后在温度为60～100℃条件下加热回流搅拌20～
60min，得溶液B；四、将0.9g钛酸四丁酯加入到溶液B中，在温度为80～120℃条件下加热回流搅拌20～60min，得溶液C；五、将溶液A与溶液C混合后加入0.5～1.0g乙酰丙酮，然后在室温条件下搅拌20～40min，得(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTiO3溶胶；六、将基片依次在丙酮和无水乙醇中超声处理4～6min，然后置于空气中自然干燥；七、在经步骤六处理后的基片上滴加(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTiO3溶胶，在匀胶速度1000～2000r/min的条件下旋转涂敷10s，再以匀胶速度3500～4500r/min的条件下旋转涂敷20s后在温度为40～
80℃条件下烘干，得薄膜D；八、将薄膜D放入快速热处理炉中在温度为630～650℃条件下焙烧8～15min，随炉冷却至室温，即得铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜。

[0012] 上述制备薄膜各步骤中所涉及的旋涂、烘干的具体操作均为本领域的常规技术，在此不再详细说明。

[0013] 本实施方式中所使用的原材料均为市场所售。

[0014] 本实施方式中所用的化学试剂均为分析纯。

[0015] 本实施方式步骤五中乙酰丙酮的加入是充当稳定剂的作用。

[0016] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是步骤一中x＝0.32。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

[0017] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一二的不同点是步骤一中x＝0.34。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

[0018] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三的不同点是步骤一中搅拌时间为20min。其它步骤及参数与具体实施方式一至三相同。

[0019] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四的不同点是步骤一中冰乙酸体积为2.0mL，乙二醇甲醚的体积为10.0mL。其它步骤及参数与具体实施方式一至四相同。

[0020] 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五的不同点是步骤三中温度为70～90℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至五相同。

[0021] 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六的不同点是步骤三中温度为80℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至六相同。

[0022] 具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七的不同点是步骤三中搅拌时间为30min。其它步骤及参数与具体实施方式一至七相同。

[0023] 具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八的不同点是步骤三中冰乙酸体积为2.0mL，乙二醇甲醚的体积为10.0mL。其它步骤及参数与具体实施方式一至八相同。

[0024] 具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至八的不同点是步骤三中冰乙酸体积为2.2mL，乙二醇甲醚的体积为10.5mL。其它步骤及参数与具体实施方式一至八相同。

[0025] 具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十的不同点是步骤四中温度为100℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至十相同。

[0026] 具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一的不同点是步骤五中乙酰丙酮的加入量为0.9g。其它步骤及参数与具体实施方式一至十一相同。

[0027] 具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二的不同点是步骤五搅拌时间为30min。其它步骤及参数与具体实施方式一至十二相同。

[0028] 具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一、二或三的不同点是步骤六中基片为Pt/Ti/SiO2/Si基片。其它步骤及参数与具体实施方式一、二或三相同。

[0029] 具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四的不同点是步骤六中超声处理时间为5min。其它步骤及参数与具体实施方式一至十四相同。

[0030] 具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式十四的不同点是步骤七中在匀胶速度1200～1800r/min的条件下旋转涂敷10s。其它步骤及参数与具体实施方式十四相同。

[0031] 具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式十四的不同点是步骤七中在匀胶速度1500r/min的条件下旋转涂敷10s。其它步骤及参数与具体实施方式十四相同。

[0032] 具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式一、二、三、十六或十七的不同点是步骤七中再以匀胶速度3800～4200r/min的条件下旋转涂敷20s。其它步骤及参数与具体实施方式一、二、三、十六或十七相同。

[0033] 具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式一、二、三、十六或十七的不同点是步骤七中再以匀胶速度4000r/min的条件下旋转涂敷20s。其它步骤及参数与具体实施方式一、二、三、十六或十七相同。

[0034] 具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式十八或十九的不同点是步骤七中在温度为50～70℃条件下烘干。其它步骤及参数与具体实施方式十八或十九相同。

[0035] 具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式十八或十九的不同点是步骤七中在温度为60℃条件下烘干。其它步骤及参数与具体实施方式十八或十九相同。

[0036] 具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式一、二、三、十六、十七、二十或二十一的不同点是步骤八中温度为640℃。其它步骤及参数与具体实施方式一、二、三、十六、十七、二十或二十一相同。

[0037] 具体实施方式二十三：本实施方式与具体实施方式一、二、三、十六、十七、二十或二十一的不同点是步骤八中温度为650℃。其它步骤及参数与具体实施方式一、二、三、十六、十七、二十或二十一相同。

[0038] 具体实施方式二十四：本实施方式与具体实施方式二十二或二十三的不同点是步骤八中焙烧时间为10～14min。其它步骤及参数与具体实施方式二十二或二十三相同。

[0039] 具体实施方式二十五：本实施方式与具体实施方式二十二或二十三的不同点是步骤八中焙烧时间为12min。其它步骤及参数与具体实施方式二十二或二十三相同。

[0040] 具体实施方式二十六：本实施方式制备铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的方法按以下步骤实现：一、依照化学式(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTiO3，按化学计量比分别称取醋酸铅、乙酸镁、乙醇铌和钛酸四丁酯，其中x＝0.32；二、按以下比例向3.5g醋酸铅中加入2.0mL的冰乙酸和10.0mL的乙二醇甲醚，然后在室温条件下搅拌20min，得溶液A；三、按以下比例向0.4g的乙酸镁和3.5g的乙醇铌混合物中加入2.0mL的冰乙酸和10.0mL的乙二醇甲醚，然后在温度为80℃条件下加热回流搅拌30min，得溶液B；四、将0.9g钛酸四丁酯加入到溶液B中，在温度为100℃条件下加热回流搅拌30min，得溶液C；五、将溶液A与溶液C混合后加入0.6g乙酰丙酮，然后在室温条件下搅拌30min，得(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTiO3溶胶；
六、将基片依次在丙酮和无水乙醇中超声处理5min，然后置于空气中自然干燥；七、在经步骤六处理后的基片上滴加(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTiO3溶胶，在匀胶速度1500r/min的条件下旋转涂敷10s，再以匀胶速度3000r/min的条件下旋转涂敷20s后在温度为60℃条件下烘干，得薄膜D；八、将薄膜D放入快速热处理炉中在温度为640℃条件下焙烧10min，随炉冷却至室温，即得铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜。

[0041] 本实施方式得到的铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜由图1可看出PMN-PT的两个主要衍射峰已经出现，合成的产物即为PMN-PT。

[0042] 本实施方式制备的铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜的二维AFM图如图2所示、三维AFM图如图3所示、扫描电镜分析图如图4所示，通过图2、图3与图4均可以看出铌镁酸铅-钛酸铅铁电薄膜呈现表面光滑、内部均一的状态。