尺寸可控的纳米级银颗粒镶嵌在钛酸钡薄膜中的制备方法

摘要

本发明公开了一种尺寸可控的纳米级银颗粒镶嵌在钛酸钡薄膜中的制备方法:先制备复合靶,再处理基底,及进行溅射,最后是热处理。本发明通过调整银片在复合靶中所占面积,实现对纳米级银颗粒尺寸的控制。本发明制备的复合膜中银颗粒大小一致,均在纳米量级,平均粒径为8～70纳米。用本发明方法制备的产品,能与半导体硅片兼容。所以,不仅可用于微电子器件集成电路中,还可用于非线性光学器件及量子器件中。

说明书

本发明涉及纳米级银颗粒均匀镶嵌在钛酸钡薄膜中的制备方法。

钛酸钡薄膜是一类特殊的电介质薄膜材料，它通常具有很高的介电常数，同时还具有铁电、压电、热释电和电光耦合等特性。特别是近年来钛酸钡薄膜的制备技术可与大规模半导体集成电路技术相兼容，开发研究集半导体大规模集成电路与钛酸钡薄膜的铁电、压电、电光和非线性光学诸功能于一体的多功能集成化器件更具有诱人的前景。最近，研究人员发现在钛酸钡薄膜中掺入0.1％摩尔左右的二价金属离子，可使钛酸钡薄膜具有半导体特性。这使得对钛酸钡薄膜的研究、开发和利用成为当今最热门的方向之一。

钛酸钡薄膜的制备方法主要有以下几种：(1)金属有机化学气相沉积法，(2)射频磁控溅射法，(3)激光削磨法，(4)溶胶－凝胶法。到目前为止，采用射频磁控溅射法制备的钛酸钡薄膜多以单一相为主。既使掺杂少量金属离子，也是金属离子进入到钛酸钡的晶格中，而并未实现金属和钛酸钡两相共存的状态。

本发明的目的是：提供一种用射频磁控共溅射的方法，制备出尺寸可控的纳米级银颗粒均匀镶嵌在非晶或多晶的钛酸钡薄膜中。

本发明的目的是这样实现的：采用银和钛酸钡的复合靶，在氩气压为2×10^-2托，溅射功率范围为100～150瓦的条件下进行溅射。基底可采用抛光的硅单晶片、石英光学玻璃片及新解理的氯化钠单晶片。溅射其间基底不加热，可得到纳米级银颗粒均匀镶嵌在非晶钛酸钡中的复合薄膜。对此薄膜进行退火处理使非晶钛酸钡晶化，可得到纳米级银颗粒镶嵌在多晶钛酸钡中的复合薄膜。通过调整复合靶上银片所占面积，可实现对复合膜中银颗粒数量及尺寸的控制，银颗粒平均粒径变化范围为8～70纳米。    

下面详细叙述本发明：

步骤一、复合靶的制备：以碳酸钡和二氧化钛为原料，以1∶1的摩尔比称取两种原料，按照传统的陶瓷烧结工艺，制得密度高于96％的钛酸钡陶瓷片；用银胶将尺寸相同、个数不等的小银片均匀粘在钛酸钡陶瓷片上；其中，银片在钛酸钡陶瓷片上所占面积应小于10％。通过调整银片的个数，可实现对纳米级银颗粒尺寸的控制，这样就制成了银和钛酸钡的复合靶。

步骤二、基底的处理：将硅片放入5％的氢氟酸溶液中泡10～20分钟以去除表面的氧化层，然后，用蒸馏水漂洗；对石英片基底，则用丙酮超声清洗30分钟；若用氯化钠为基底，必须选用新解理的表面。

步骤三、溅射过程；在进行溅射之前，真空室的真空度要求高于3×10^-6托。随后，往真空室内通氩气，使真空度保持在2×10^-2托左右。开启射频电源，调整射频功率为100～150瓦。在此功率范围内，薄膜的沉积速率为1.3～2.0纳米/分。调整溅射时间，可制备不同厚度的复合膜。这样制得的薄膜为纳米级银颗粒镶嵌在非晶钛酸钡薄膜中。

步骤四、热处理过程：溅射完毕后，将复合膜置于石英炉内，在流动的氧气下加热到450～600℃之间一固定温度保温一小时。降温时要求有氮气保护，以防银氧化。这样得到的产物为纳米级银颗粒镶嵌在多晶钛酸钡薄膜中。

本发明的主要优点是：

1.本发明制备的复合膜中银颗粒大小一致，均在纳米量级，且均匀分散在钛酸钡中。此外，通过改变复合靶上银片所占面积，可改变银颗粒的数量及尺寸。

2.本发明可使非晶钛酸钡的晶化温度降低近200℃，并且银的介入使晶化后的钛酸钡的晶粒尺寸减小至10～30纳米。

用本发明方法制备的纳米级银颗粒镶嵌在钛酸钡中的复合膜，由于其表面光滑，厚度均匀，且能与半导体硅片相兼容，可作为微电子器件用在集成电路中；此外，还可用于非线性光学器件。由于镶嵌在钛酸钡中的银颗粒具有量子点的特性，也可用于量子器件中。

实施例1：

将三片0.5×2×7mm³的小银片用银胶均匀粘在直径6厘米的圆形钛酸钡陶瓷片上。

将抛光的单晶硅片放入5％氢氟酸溶液中泡15分钟，再用蒸馏水漂洗多次，用电吹风吹干硅片；随后，同新解理的氯化钠单晶片一同迅速放入真空室中。

对真空室抽气，直至真空度达到2×10^-5托；给真空室充氩气，气压维持在2×10^-2托；开启射频电源，调整射频功率到120瓦；溅射一小时，所得产物经透射电镜分析表明为平均粒径15纳米的银颗粒均匀镶嵌在非晶钛酸钡薄膜中，薄膜厚度为150纳米。

实施例2：

将实施例1所得样品放入石英炉内，在流动的氧气中加热至520℃，保温一小时；之后，在氮气保护下使其自然冷却；经X射线衍射，透射电镜和原子力显微镜分析表明所得产物为平均粒径21纳米的银颗粒镶嵌在多晶钛酸钡薄膜中；其中，钛酸钡的平均粒径为25纳米。

附图说明：

图1：放大10万倍二钠米级银颗粒镶嵌在非晶钛酸钡薄膜中的照片，银颗粒的粒径范围6～20纳米。

图2：放大五万倍的纳米级银颗粒镶嵌在非晶钛酸钡薄膜中的照片，银颗粒的粒径范围42～66纳米。