粉末溶胶法制备CaSrBiTiO陶瓷厚膜及铁电性能的研究

摘要

铋层状钙钛矿结构的铁电材料具有高的剩余极化、低得矫顽场强以及高的居里温度、低的介电损耗等优点，因而其在非挥发性铁电随机存储器(NVFRAM)和高温高频压电器件方面具有广阔的应用空间。在铋层状钙钛矿结构的铁电材料中，(Srl-xCax)Bi4Ti4O15这种材料因兼有SrBi4Ti4O15的高剩余极化的特性和CaBi4Ti4O15的高居里温度的特性而受材料科学工作者的高度关注。另外，铁电薄/厚膜材料具有一系列独特的性质，在微电子学、光电子学以及微电子机械系统(MEMS)等方面具有潜在的应用。本文从Cao0.4Sr0.6Bi4Ti4O0.15超细粉体的溶胶-凝胶法合成、粉末溶胶悬浊液的制备等方面系统地对Ca0.4Sr0.6Bi4TiO15铁电陶瓷厚膜的制备工艺和性能进行了研究，以期为其在微电子机械系统方面的应用打下基础。 研究了Ca0.4Sr0.6Bi4O15超细粉体的溶胶-凝胶法制备过程和一些影响因素。包括粉体的晶化过程、物化性能和热处理工艺等影响粉体团聚的制备因素。结果表明：1)Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15粉体干凝胶的晶化过程大体包括：前驱体中水、醇的挥发和脱出；体系中过剩的乙酰丙酮、水解产物等有机物发生燃烧和分解；体系中生成过渡氧化物TiO2,Bi2O3,SrO和CaO等；最后生成铋层状钙钛矿结构的粉体。2)采用溶胶-凝胶法能够制备出纳米级的超细粉体，但粉体的团聚较为严重。200℃时平均团聚颗粒尺寸达到0.3-0.5μm；500℃加热处理后粉体平均团聚颗粒尺寸达到0.8-1μm；600℃粉体团聚程度有所下降，结晶程度大大提高，平均团聚颗粒尺寸为0.8μm；800℃粉体完全结晶，尺寸约为300nm；900℃煅烧的粉体颗粒尺寸为2μm，晶粒发生明显的生长。3)增加凝胶的预热处理，采用凝胶的预碳化处理工艺能够制备颗粒度范围窄，晶粒粒径小，颗粒粒径大约为100nm，颗粒大小均匀的纳米晶粉体，能够满足厚膜陶瓷材料制备的要求。 研究了粉末溶胶悬浊液的制备和稳定分散工艺。结果表明：1)向制备粉体的溶胶中加入适当浓度的乙酰丙酮，可以获得适宜制备厚膜的稳定溶液。2)当溶胶的浓度范围为：0.15-0.20mol/l时，旋涂制备的薄膜其表面质量较好、薄膜厚度较大；通过测试悬浊液的Zeta电位，确定了Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15悬浊液最佳稳定的PH值PH=6.5；超声、球磨等物理分散方法和以PVPK30等化学分散剂结合能够制备分散稳定的悬浊液。 研究了粉末溶胶法制备Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15铁电陶瓷厚膜的工艺，并对厚膜的铁电性能进行了测试。结果表明：1)采用4000rpm×30s的成膜工艺，先制备一层薄膜，再采用参数为3500rpm×25s的工艺，制备一层厚膜，层层交替，能够制备厚度超过1μm表面无裂纹，内部致密的厚膜。2)每制备一层膜以后，湿膜先在200℃的干燥板烘烤2min，然后在快速退火炉中进行550℃保温5min。达到一定的厚度后，在750℃保温30min，得到层状钙钛矿结构的铁电厚膜。3)制备的铁电厚膜，无裂纹、致密性好、晶粒分布均匀。当薄膜厚度为1,700nm，测试电压为25V，测试频率为1KHZ时，Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15厚膜的剩余极化Pr=12.5μC/cm2：，矫顽场强Ec=50kV/cm。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1铁电膜材料及应用

1.2 Sol-gel技术

1.3 Sol-gel技术制备超细粉体

1.4 Sol-gel技术制备薄膜材料

1.5改进的Sol-gel法制备铁电陶瓷厚膜材料

1.6纳米粉体的分散

1.7选题背景意义和研究内容

第二章实验及分析测试方法

2.1实验原料及试剂

2.2 Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15粉体的合工艺

2.3 Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15悬浊液的制备

2.4粉末溶胶法制备厚膜工艺

2.5分析与测试方法

第三章 Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15纳米晶粉体的制备与表征

3.1引言

3.2粉体的晶化过程分析

3.3 Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15粉体的扫描电子显微镜(SEM)分析

3.4粉体颗粒度的测定

3.5改进热处理工艺制备Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15纳米晶粉体

3.6本章小结

第四章 Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15陶瓷浆料的制备和分散研究

4.1引言

4.2分散介质-溶胶的选择

4.3 Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15陶瓷浆料的制备和分散

4.4本章小结

第五章 Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15铁电厚膜的制备和表征

5.1引言

5.2粉末溶胶法制备Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15铁电厚膜的工艺流程

5.3厚膜制备工艺参数的确定

5.4厚膜的表征及性能分析

5.5本章小结

第六章全文总结

6.1全文总结

6.2主要创新点

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢