自组装制备SrTiO功能陶瓷薄膜的研究

摘要

本文尝试了一种新的薄膜材料合成制备方法-自组装单层膜法。采用自组装单层膜（Self-Assembled Monolayers，SAMs）技术与液相沉积（Liquid Phase Deposition，LPD）技术相结合，以Sr（NO3）2、（NH4）2TiF6和H3BO3为主要起始反应物配制前驱液，以三氯十八烷基硅烷为自组装模版，采用基片竖直夹持方式，在前驱液浓度为0.025mol/L（C（NH4）2TiF6：Csr（NO3）2：CH3BO3=1：1：3）、溶液pH值为3.5、沉积温度为50℃，沉积时间为8h，600℃晶化2h的条件下，成功地在玻璃基板表面沉积制备了晶态SrTiO3薄膜。
　　 本课题首先对三氯十八烷基硅烷（octadecyl-trichloro-silane，OTS）和苯基三氯硅烷（phenyl-trichloro-silane，PTCS）在玻璃表面的自组装功能化进行了研究。利用接触角测试仪和原子力显微镜（AFM）考察了不同紫外照射时间与浸泡时间对基板表面润湿性和单层膜形貌的影响。结果表明，空白基板在紫外照射30min时达到清洁最佳状态；OTS-SAM、PTCS-SAM在基板表面完全成膜的浸泡时间分别为20min和420s；紫外光修饰OTS-SAM、PTCS-SAM的最佳时间均为30min。有机单层膜物质在基板表面的形貌与玻璃表面相似，平整光滑，均匀平坦；紫外光修饰后粗糙度明显增加，呈现规律的锯齿条纹状。
　　 OTS-SAM处理后的基片具有极强的亲水性，使得薄膜前驱液能够在基板表面充分地润湿，有利于陶瓷先驱粒子在基板表面吸附与生长。采用Zeta电位对薄膜前驱液稳定性进行考察，测试发现，在前驱液pH值为3.5左右时，溶液Zeta电位为0，此时体系适合薄膜颗粒的成核与生长，此结论在pH值工艺讨论中得到证实。
　　 X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱（EDS）、金相显微镜等测试对SrTiO3薄膜的结构、相组成、表面形貌及化学组成进行了考察，研究发现有机硅烷OTS自组装膜层对SrTiO3薄膜的成核与生长具有明显的诱导作用，能促进前驱体溶液在基底表面异相成核和沉积。制备成功的薄膜化学成份稳定，纯度较高，结晶良好，结构致密均一，在基板表面呈纤维簇状生长。自组装单层膜技术制备微观图案化薄膜取得了圆满成功，研究发现，基板的亲水表面和憎水表面都可以发生SrTiO3薄膜前驱物成核，但憎水区的薄膜与基板结合不牢固，在超声波振动后容易脱落。
　　 本课题同时探讨了自组装单层膜技术在制备BaTiO3薄膜及其sr掺杂中的应用。XRD与SEM表征显示，制备所得BaTiO3薄膜为四方相，在基板表面呈纳米线状生长，线长大约在500nm～1μm之间，相互连接的晶粒大小大约在100nm左右。EDS能谱测试使自组装单层膜技术在薄膜掺杂制备中的应用可行性得到证实。

目录

文摘

英文文摘

声明

1文献综述

1.1功能陶瓷薄膜—钛酸锶薄膜概述

1.1.1功能陶瓷材料简介

1.1.2 SrTiO3及其薄膜材料的结构与性质

1.1.3 SrTiO3薄膜的应用

1.2液相沉积技术简述

1.2.1液相沉积机理

1.2.2液相沉积技术优点

1.3自组装单层膜技术(self-assembled monolayers，SAMs)简述

1.3.1自组装单层膜技术发展现状

1.3.2有机硅烷类SAMs及其形成机理

1.3.3有机硅烷类SAMs诱导沉积功能陶瓷薄膜的反应机理

1.3.4自组装单分子膜在制备功能陶瓷薄膜领域中的应用

1.4 SrTiO3薄膜当前制备技术

1.4.1溅射法制备SrTiO3薄膜

1.4.2分子束外延制备SrTiO3薄膜

1.4.3化学气相沉积制备SrTiO3薄膜

1.4.4原子层沉积制备SrTiO3薄膜

1.4.5溶胶—凝胶法制备SrTiO3薄膜

1.4.6水热法制备SrTiO3薄膜

1.5自组装单层膜技术制备SrTiO3薄膜的优势及论文提出

2实验部分

2.1实验原料及设备

2.2实验仪器

2.3液相自组装法的工艺流程

2.4自组装单层膜(SAMs)制备过程

2.4.1基板的裁减与清洗

2.4.2 SAMs溶液的配制

2.4.3 OTS-SAM的吸附与改性

2.5 SrTiO3薄膜制备过程

2.5.1 SrTiO3薄膜前驱液的配制

2.5.2 SrTiO3薄膜的沉积

2.5.3 SrTiO3薄膜的晶化

2.6样品测试

2.6.1基板接触角测试

2.6.2前驱液Zeta电位测定

2.6.3金相显微镜分析

2.6.4 X射线衍射分析(XRD)

2.6.5扫描电镜分析(SEM)

2.6.6原子力显微镜分析(AFM)

2.6.7能谱分析(EDS)

3结果与讨论

3.1 OTS、PTCS自组装单层膜在玻璃表面的功能化研究

3.1.1紫外光对空白基板照射(一次照射)时间与接触角的关系

3.1.2 OTS、PTCS浸泡时间对基板接触角的影响

3.1.3紫外光对OTS、PTCS单层膜照射(二次照射)时间与接触角的关系

3.1.4 OTS、PTCS单层膜在玻璃基板上的形成机理研究

3.2液相自组装制备SrTiO3薄膜

3.2.1薄膜前驱体溶液的考察

3.2.2 OTS-SAM对薄膜沉积的影响

3.2.3基片放置方式对薄膜沉积的影响

3.2.4 SrTiO3薄膜沉积工艺研究

3.2.5 SrTiO3薄膜的图案化制备

3.2.6 SrTiO3薄膜的形成机理

4液相反应自组装制备BaTiO3薄膜及其Sr掺杂

4.1 BaTiO3薄膜简介

4.2 BaTiO3薄膜制备

4.3 BaTiO3薄膜结果分析

4.3.1 BaTiO3薄膜金相显微镜表征

4.3.2 BaTiO3薄膜XRD表征

4.3.3 BaTiO3薄膜SEM表征

4.4 BaTiO3薄膜的形成机理

4.5 Sr掺杂BaTiO3薄膜

5结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录