紫外光辐照选择性自组装制备SrTiO3薄膜的研究

摘要

SrTiO3是一种典型的钙钛矿型结构材料,具有介电常数高、介质损耗低、良好的化学热稳定性和优异的绝缘性能,被广泛应用于微电子器件,研究一种方法简单,环保的SrTiO3薄膜制备技术,对于电子产业具有一定的意义。
　　本研究利用自组装单层膜技术,首先在玻璃基板上生长了十八烷基三氯硅烷自组装单层膜(OTS-SAMs),然后以Sr(NO3)2、Ba(NO3)2、(NH4)2TiF6和H3BO3为原料,用液相自组装的方法制备Sr1-xBaxTiO3薄膜。用AFM、XRD、XPS、FTIR、SEM、EDS等测试方法对OTS-SAMs和Sr1-xBaxTiO3薄膜微结构进行了表征,探讨了OTS-SAMs在基板表面的成膜机理和OTS-SAMs对Sr1-xBaxTiO3薄膜吸附机理;研究了液相组装制备的Sr1-xBaxTiO3薄膜的介电性能、可逆浸润性能和循环光催化性能,得到以下结论:
　　(1) OTS溶入C6H5CH3溶液,OTS的-Si-Cl键与水发生水解反应后,在OTS头基形成的硅烷醇-Si-OH与紫外光照射形成的-OH进行脱水缩合反应,形成共价硅氧烷键(-O-Si),这种硅氧烷键在二维空间内高度有序地排列形成OTS-SAMs。
　　(2)紫外光辐照,使OTS-SAMs末端-CH3键断裂形成硅烷醇(Si-OH)组群,使 OTS-SAMs末端变为亲水性-OH,从而具备界面识别功能;利用这种属性,在光掩膜的覆盖下,在OTS-SAMs上形成硅烷醇基和烷基区域,用液相自组装方法选择性制备出边缘轮廓清晰、线宽30μm左右,线间距100μm图案化的SrTiO3薄膜。
　　(3)液相自组装制备 SrTiO3薄膜形成机理是异相成核-胶体聚沉的共同作用结果。OTS-SAMs表面羟基(-OH)与(NH4)2TiF6水解产物[Ti(OH)6]2-缩聚反应异相成核形成[Ti(OH)5]-层;前驱溶液中的Sr[TiF6-n(OH)n] H+NO3-胶团在静电力作用下聚沉在[Ti(OH)5]-层表面,自组装形成前驱薄膜,晶化后形成了SrTiO3薄膜。
　　(4)反向液相自组装制备薄膜的过程中,Sr[TiF6-n(OH)n] H+ NO3-胶团在静电力作用下向上移动,前驱溶液中的聚合大分子在重力作用下向下移动,制备的薄膜致密;具有介电性能,在10kHz时, Sr0.8Ba0.2TiO3薄膜的介电常数为880,介电损耗为0.04。
　　(5)前驱溶液中的(NH4)2TiF6与H3BO3比率对液相自组装制备Sr0.8Ba0.2TiO3薄膜的晶体结构有明显的影响,(NH4)2TiF6/H3BO3≤1.2制备的薄膜属 Pm-3n空间群,为立方结构,(NH4)2TiF6/H3BO3≥1.4制备的薄膜属 P4mm空间群,为四方结构;在30kHz时,(NH4)2TiF6/H3BO3=1/1.6制备的Sr0.8Ba0.2TiO3薄膜的介电常数为216,损耗0.0233。
　　(6)液相自组装制备Sr0.8Ba0.2TiO3薄膜,在低电场下,薄膜漏导机制符合Schottky模型。在高电场下,薄膜漏电流机制符合空间电荷限制电流。
　　(7) SrTiO3薄膜在150℃保温-紫外照射循环作用下,表现出了良好的可逆浸润性。Ba0.77Sr0.23TiO3薄膜120℃保温-紫外照射循环作用下,呈现了永久亲水性;SrTiO3和Ba0.77Sr0.23TiO3薄膜在紫外光下照射具有良好的循环光催化性能。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 SrTiO3薄膜研究现状与发展

1.3 SAMs仿生合成技术与生物矿化

1.4 本课题的主要研究内容和意义

2 实验方法及试剂

2.1 实验所用试剂

2.2 实验主要仪器

2.3 实验工艺过程

2.4 薄膜的表征和性能测试

3 OTS-SAMs仿生制备和成膜机理研究

3.1 前言

3.2 实验

3.3 OTS单分子层仿生制备和成膜机理

3.4本章小结

4 OTS-SAMs诱导制备SrTiO3薄膜及成膜机理

4.1 前言

4.2 实验

4.3 前驱液pH值对OTS-SAMs诱导制备SrTiO3薄膜的影响

4.4吸附温度对OTS-SAMs诱导制备的SrTiO3的影响

4.5 吸附时间对OTS-SAMs诱导制备的SrTiO3薄膜的影响

4.6 OTS-SAMs诱导制备SrTiO3薄膜的形成机理

4.7 本章小结

5 OTS分子膜诱导制备图案化的SrTiO3薄膜

5.1 引言

5.2 OTS-SAMs诱导制备图案SrTiO3薄膜

5.3 OTS-SAMs诱导制备图案SrTiO3薄膜

5.4 OTS-SAMs对SrTiO3薄膜识别效应

5.5本章小结

6 OTS-SAMs诱导液相自组装制备Sr1-xBaxTiO3薄膜

6.1 引言

6.2 实验

6.3 OTS-SAMs诱导制备Sr1-xBaxTiO3薄膜

6.4 液相自组装制备Sr1-xBaxTiO3薄膜及性能

6.5 本章小结

7 Sr0.8Ba0.2TiO3薄膜制备及电性能的研究

7.1 引言

7.2 实验

7.3 不同(NH4)2TiF6/H3BO3比液相自组装制备的Sr0.8Ba0.2TiO3薄膜

7.4 (NH4)2TiF6/H3BO3对制备的Sr0.8Ba0.2TiO3薄膜电性能影响

7.5 本章小结

8 OTS-SAMs诱导生长Sr1-xBaxTiO3薄膜及可逆浸润性能的研究

8.1 前言

8.2 实验

8.3 液相自组装方法制备 SrTiO3薄膜和浸润性研究

8.4 液相自组装方法制备Sr0.23Ba0.77TiO3薄膜和浸润性研究

8.5 Sr1-xBaxTiO3薄膜光催化性能的研究

8.6 本章小结

9 结论

致谢

参考文献

作者在博士期间撰写和发表的论文