低溫自組裝Bi_4-xY_xTi₃O₁₂鐵電薄膜的方法

2023-05-28 12:04:31

專利名稱：低溫自組裝Bi4-xYxTi3O12鐵電薄膜的方法
技術領域：
本發明涉及一種Bi4—xYxTi3012鐵電薄膜的製備方法。
背景技術：
Bi4—xYxTi3012鐵電薄膜具有良好的疲勞性和較大的剩餘極化；但現有工藝製備鐵 電薄膜存在因晶化溫度過高(晶化溫度大於65(TC )，易引起薄膜與襯底之間出現裂痕，而 不利於大規模集成電路的生產的問題。

發明內容
本發明的目的是為了解決現有工藝製備鐵電薄膜存在因晶化溫度過高不利於大 規模集成電路的生產的問題。 本發明的低溫自組裝鐵電薄膜的方法是按下述步驟進行的一、依照分子式 Bi4—乂113012，按化學計量比分別稱取硝酸鉍、硝酸釔和鈦酸四丁酯，0 < x《3，然後將所稱 取的硝酸鉍溶於乙二醇甲醚中配得濃度為0. 40 0. 45g/mL的硝酸鉍溶液(無色透明澄 清溶液)，再將所稱取的硝酸釔溶於乙二醇甲醚中配得濃度為0. 035 0. 040g/mL硝酸釔 溶液(無色透明澄清溶液)，然後將硝酸鉍溶液與硝酸釔溶液混勻，再加入所稱取的鈦酸四 丁酯，然後再加入乙二醇甲醚使鈦離子的濃度為0. 3mol/L，磁力攪拌30min，過濾(除去溶 液中的雜質和溶液中的較大的膠粒，避免聚集生成沉澱影響溶液的穩定性)，得到前驅體 溶液；二、將前驅體溶液滴在襯底上，啟動勻膠機勻膠，勻膠速度為4000r/min，勻膠時間為 30 40s，製得溼膜，然後在300 40(TC下將溼膜乾燥5 10min (使有機物和小分子物質 揮發)，形成厚度55nm 65nm的無定形態的BYT薄膜；三、經步驟二處理的襯底放入水熱 釜中，然後在150 18(TC進行晶化2 5h ;即實現了低溫自組裝Bi4—xYxTi3012鐵電薄膜。
本發明的方法還可在進行步驟三的操作之前，重複整個步驟二的操作1至10次。
本發明方法製備的鐵電薄膜的表面平整，為均一相，界面清晰，晶化完全，薄膜與 襯底之間無裂痕出現，利於大規模集成電路的生產。鐵電性能與現有方法製備的鐵電性能 相當。其中813.^。.4113012鐵電薄膜的自發極化值(Ps) :7.57iiC/cm2，剩餘極化值(2Pr): 8. 42ii C/cm2、矯頑場強度(Ec) :77. 06kV/cm晶化溫度為160°C。


圖1是在不同水熱處理時間、15(TC水熱溫度下製得Bi^Y。.eTiA2鐵電薄膜的 X-射線衍射圖，圖中a表示水熱處理時間為3h製得的Bi3.4Y。.6Ti3012鐵電薄膜的X-射線衍 射圖，b表示水熱處理時間為4h製得的Bi3.4Y。.6Ti3012鐵電薄膜的X-射線衍射圖，c表示水 熱處理時間為5h製得的Bi3.4Y。.6Ti3012鐵電薄膜的X-射線衍射圖；圖2是在不同水熱處理 時間、1601:水熱溫度下製得的813.4\6113012鐵電薄膜的乂-射線衍射圖，&表示水熱處理時 間為2h製得的Bi3.4Y。.6Ti3012鐵電薄膜的X-射線衍射圖，b表示水熱處理時間為3h製得的 Bi3.4Y。.6Ti3012鐵電薄膜的X-射線衍射圖，c表示水熱處理時間為4h製得的Bi3.4Y。.6Ti3012鐵電薄膜的X-射線衍射圖；圖3是160°C Bi^Y。.eTiA2鐵電薄膜水熱處理2小時的AFM平面 圖；圖4是160°C Bi3.4Y。.6Ti3012薄膜水熱處理2小時的三維AFM圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一 本實施方式低溫自組裝鐵電薄膜的方法是按下述步驟進行 的一、依照分子式Bi^^;113012，按化學計量比分別稱取硝酸鉍、硝酸釔和鈦酸四丁酯， 0 < x《3，然後將所稱取的硝酸鉍溶於乙二醇甲醚中配得濃度為0. 40 0. 45g/mL的 硝酸鉍溶液(無色透明澄清溶液)，再將所稱取的硝酸釔溶於乙二醇甲醚中配得濃度為 0. 035 0. 040g/mL硝酸釔溶液(無色透明澄清溶液)，然後將硝酸鉍溶液與硝酸釔溶液 混勻，再加入所稱取的鈦酸四丁酯，然後再加入乙二醇甲醚使鈦離子的濃度為0. 3mol/L，磁 力攪拌30min，過濾(除去溶液中的雜質和溶液中的較大的膠粒，避免聚集生成沉澱影響 溶液的穩定性)，得到前驅體溶液；二、將前驅體溶液滴在襯底上，啟動勻膠機勻膠，勻膠速 度為4000r/min，勻膠時間為30 40s，製得溼膜，然後在300 400。C下將溼膜乾燥5 10min(使有機物和小分子物質揮發)，形成厚度55nm 65nm的無定形態的BYT薄膜；三、 經步驟二處理的襯底放入水熱釜中，然後在150 18(TC進行晶化2 5h ;即實現了低溫自 組裝Bi^乂113012鐵電薄膜。 經XRD分析，本實施方式鐵電薄膜的結構特徵峰(008)、(117)及(200)等明顯，說 明Bi3.6Y。.4Ti3012鐵電薄膜的晶體結構為層狀鈣鈦礦結構。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中的X = 0. 5、 0.6、0. 75、1或2。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。 具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是步驟二中所述的
襯底為Pt/Ti/Si02/Si基片。其它步驟及參數與具體實施方式
一或二相同。 具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三不同的是步驟三中所述的
晶化溫度為155 175°C。其它步驟及參數與具體實施方式
一至三相同。 具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至三不同的是步驟三中所述的
晶化溫度為160°C。其它步驟及參數與具體實施方式
一至三相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至五不同的是步驟三中所述的 晶化時間為3h。其它步驟及參數與具體實施方式
一至五相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至五不同的是步驟三中所述的 晶化時間為4h。其它步驟及參數與具體實施方式
一至五相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至七不同的是在進行步驟三的 操作之前，重複步驟二的操作1至10次。其它步驟及參數與具體實施方式
一至七相同。
具體實施方式
九本實施方式低溫自組裝Bi3.6Y。.4Ti3012鐵電薄膜的方法是按下述 步驟進行的一、依照分子式Bi3.6Y。.4Ti3012，分別稱取3. 6mo1硝酸鉍、0. 4mo1硝酸釔和3mo1 鈦酸四丁酯，然後將所稱取的硝酸鉍溶於20mL乙二醇甲醚中配得硝酸鉍溶液(無色透明澄 清溶液)，再將所稱取的硝酸釔溶於20mL乙二醇甲醚中配得硝酸釔溶液(無色透明澄清溶 液)，然後將硝酸鉍溶液與硝酸釔溶液混勻，再加入所稱取的鈦酸四丁酯，然後再加入乙二 醇甲醚使鈦離子的濃度為0. 3mol/L，磁力攪拌30min，過濾(除去溶液中的雜質和溶液中的 較大的膠粒，避免聚集生成沉澱影響溶液的穩定性)，得到前驅體溶液；二、將前驅體溶液滴在襯底上，啟動勻膠機勻膠，勻膠速度為4000r/min，勻膠時間為30s，製得溼膜，然後在 40(TC下將溼膜乾燥5min (有機物和小分子物質揮發)，形成厚度60nm的無定形態的BYT薄 膜；三、經步驟二處理的襯底放入水熱釜中，然後在15(TC進行晶化2 5h ;即實現了低溫 自組裝Bi3.6Y。.4Ti3012鐵電薄膜。 本實施方式製備的Bi3.6Y。.4Ti3012鐵電薄膜的自發極化值(Ps) :7. 07 y C/cm、剩餘 極化值(2Pr) :8. 25ii C/cm2，矯頑場強度(Ec) :84. 64kV/cm 採用X-射線衍射儀對本實施方式製備的Bi3.6Y。. 4Ti3012鐵電薄膜進行檢測，結果如 圖1所示。由圖1可知，本實施方式813.^。.4113012鐵電薄膜的結構特徵峰(008)、 (117)及 (200)等明顯，說明813.6\4113012鐵電薄膜的晶體結構為層狀鈣鈦礦結構，晶化完全。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
九不同的是步驟三中的晶化溫度 為16(TC。其它步驟和參數與具體實施方式
九相同。 本實施方式製備的813.^。.4113012鐵電薄膜的自發極化值(Ps) :7. 57ii C/cm2，剩餘 極化值(2Pr) :8. 42ii C/cm2、矯頑場強度(Ec) :77. 06kV/cm。 採用X-射線衍射儀、原子顯微鏡(AFM)對本實施方式製備的Bi3.6Y。.4Ti3012鐵電薄 膜進行檢測，結果如圖2 4所示。 由圖2可知，本實施方式813.^。.4113012鐵電薄膜的結構特徵峰(008)、 (117)及 (200)等明顯，說明Bi3.6Y。.4Ti3012鐵電薄膜為層狀鈣鈦礦結構。 由圖3和4可知，由圖3可以看出薄膜表面緻密、平整，為均一相。由圖4可以清 楚看出自組裝花紋，且薄膜的表面粗糙度很小。
具體實施方式
i^一、本實施方式與具體實施方式
九不同的是在進行步驟二操作 之後、步驟三的操作之前，重複步驟二的操作1至10次。其它步驟和參數與具體實施方式
九相同。
權利要求
低溫自組裝Bi4-xYxTi3O12鐵電薄膜的方法，其特徵在於低溫自組裝Bi4-xYxTi3O12鐵電薄膜的方法是按下述方法製備的一、依照分子式Bi4-xYxTi3O12，按化學計量比分別稱取硝酸鉍、硝酸釔和鈦酸四丁酯，0＜x≤3，然後將所稱取的硝酸鉍溶於乙二醇甲醚中配得濃度為0.40～0.45g/mL的硝酸鉍溶液，再將所稱取的硝酸釔溶於乙二醇甲醚中配得濃度為0.035～0.040g/mL硝酸釔溶液，然後將硝酸鉍溶液與硝酸釔溶液混勻，再加入所稱取的鈦酸四丁酯，然後加入乙二醇甲醚使鈦離子的濃度為0.3mol/L，磁力攪拌30min，過濾，得到前驅體溶液；二、將前驅體溶液滴在襯底上，啟動勻膠機勻膠，勻膠速度為4000r/min，勻膠時間為30～40s，製得溼膜，然後在300～400℃下將溼膜乾燥5～10min，形成厚度55nm～65nm的無定形態的BYT薄膜；三、經步驟二處理的襯底放入水熱釜中，然後在150～180℃進行晶化2～5h；即實現了低溫自組裝Bi4-xYxTi3O12鐵電薄膜。
2. 根據權利要求1所述的低溫自組裝Bi4—^;113012鐵電薄膜的方法，其特徵在於步驟 一中的x = 0. 5、0. 6、0. 75、1或2。
3. 根據權利要求1或2所述的低溫自組裝Bi4—xYxTi3012鐵電薄膜的方法，其特徵在於 步驟二中所述的襯底為Pt/Ti/Si02/Si基片。
4. 根據權利要求3所述的低溫自組裝Bi4—xYxTi3012鐵電薄膜的方法，其特徵在於步驟 三中所述的晶化溫度為155 175°C。
5. 根據權利要求3所述的低溫自組裝Bi4—xYxTi3012鐵電薄膜的方法，其特徵在於步驟 三中所述的晶化溫度為160°C。
6. 根據權利要求4所述的低溫自組裝Bi4—xYxTi3012鐵電薄膜的方法，其特徵在於步驟 三中所述的晶化時間為3h。
7. 根據權利要求4所述的低溫自組裝Bi4—xYxTi3012鐵電薄膜的方法，其特徵在於步驟 三中所述的晶化時間為4h。
8. 根據權利要求l、2、4、5、6或7所述的低溫自組裝Bi4—乂113012鐵電薄膜的方法，其 特徵在於在進行步驟三的操作之前，重複步驟二的操作1至10次。
全文摘要
低溫自組裝Bi4-xYxTi3O12鐵電薄膜的方法，它涉及一種Bi4-xYxTi3O12鐵電薄膜的製備方法。本發明解決了現有工藝製備Bi4-xYxTi3O12鐵電薄膜存在因晶化溫度過高不利於大規模集成電路的生產的問題。本發明的方法如下一、分別稱取硝酸鉍、硝酸釔和鈦酸四丁酯，製備前驅體溶液；二、將前驅體溶液滴在襯底上，啟動勻膠機勻膠形成一定厚度的無定形態BYT薄膜；三、水熱釜中晶化；即實現了低溫自組裝Bi4-xYxTi3O12鐵電薄膜。本發明方法製備的Bi4-xYxTi3O12鐵電薄膜主要用於規模集成電路的生產，其表面平整，均一相，界面清晰，薄膜與襯底之間無裂痕出現，利於大規模集成電路的生產。
文檔編號C30B29/32GK101748489SQ20091007306
公開日2010年6月23日 申請日期2009年10月16日 優先權日2009年10月16日
發明者劉洪成 申請人:齊齊哈爾大學