一种电泳复合沉积制备铁电、介电厚膜的方法

摘要

本发明涉及铁电、介电厚膜制备方法。公开了一种钛酸锶钡铁电、介电厚膜的制备方法，为将摩尔比为(1－4)∶(4－1)的BaTiO3粉体和SrTiO3粉体电泳沉积后经高温热处理制得钛酸锶钡铁电、介电厚膜。本发明制备钛酸锶钡铁电、介电厚膜成本低、成膜快、组分易于调整、适宜大规模制膜。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的铁电、介电厚膜制备方法。

背景技术

铁电材料具有铁电性、高介电性、压电性、热释电性、电光效应、声光效应、热光效应、光折变效应、非线性光学效应等优异的性能，因而可以利用这些性质中的一种，也可以通过交叉耦合综合利用两种或两种以上的性质制作功能器件。目前，铁电材料的研究主要集中在BaTiO₃(BT)、(Ba，Sr)TiO₃(BST)、Pb(Zr，Ti)O₃(PZT)、(Pb，La)TiO₃(PLT)、(Pb，La)(Zr，Ti)O₃(PLZT)、Ba(Zr，Ti)O₃(BZT)等上。其中，钛酸锶钡(BST)是一种优异的铁电材料，它具有高介电常数、低损耗和居里点可调等优点，被广泛应用于电容器、传感器等领域。

与块体材料相比，膜材料由于尺寸小质量轻，所以在材料中获得同样电场所需的驱动电压大大降低。其中，厚膜材料较薄膜材料有更低的表面应力，这样材料的介电特性和抗老化能力得到保证。此外，薄膜器件难以提供驱动器、传感器等器件需要的足够大的驱动力或位移。因此，制备具有一定厚度的铁电、介电厚膜材料目前已成为重要的研究工作。

目前研究和使用较多的厚膜的制备技术主要有丝网印刷，电泳沉积，流延及溶胶凝胶法。电泳沉积以其成膜设备简单、成膜面积大、器件形状不受限制等优势而为人们所广泛采用。到目前为止，采用电泳沉积方法制备BST厚膜多采用事先已合成的BST粉料，如HongliGuo[Hongli Guo，Wei Gao，Juhyun Yoo，The effect of sintering on the properties ofBa_0.7Sr_0.3TiO₃ ferroelectric films produced by electrophoretic deposition.MaterialsLetters.58(2004)1387-1391.]等利用BaCO₃，SrCO₃和TiO₂预先合成Ba_(1-x)Sr_xTiO₃(x＝0.7)粉体，再采用电泳沉积法在Pt衬底上制备了BST铁电、介电厚膜。固相反应制备的钛酸锶钡粉体为微米量级，活性较低，电泳后所得厚膜结构也具有较多空隙。利用水热法可制备尺度为纳米量级的粉体，但要获得不同组分的Ba_(1-x)Sr_xTiO₃厚膜，首先需要采用水热法合成不同组分的钛酸锶钡粉体[Hongyan Miao，Yaohui Zhou，Guoqiang Tan，Microstructure anddielectric properties of ferroelectric barium strontium titanate ceramics preparedby hydrothermal method.Journal of Electroceramics.DOI：10.1007/s10832-007-9244-x]，不利于组分的调控。本发明利用钛酸钡和钛酸锶纳米粉体复合电泳沉积制备钛酸锶钡铁电、介电厚膜成本低、成膜快、组分易于调整、适宜大规模制膜，而关于这种采用两种粉体复合沉积制备钛酸锶钡铁电、介电厚膜的内容还鲜有报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单可行的电泳复合沉积的合成方法来制备钛酸锶钡铁电、介电厚膜。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种钛酸锶钡铁电、介电厚膜的制备方法，为将摩尔比为(1-4)∶(4-1)的BaTiO₃粉体和SrTiO₃粉体电泳沉积后经高温热处理制得。

其中，钛酸钡和钛酸锶粉体的粒径分布保持近似。

上述钛酸锶钡分子式为Ba_(1-x)Sr_xTiO₃，中x值的范围为0.8～0.2。

更具体的，本发明包括以下步骤：

A、先将钛酸钡、钛酸锶粉体按照摩尔比为(1-4)∶(4-1)混合并分散于分散介质中，制成悬浮液；

B、将电极放置在悬浮液中；

C、在恒电场条件下电泳沉积，获得厚膜；

D、将电泳沉积所得厚膜进行等静压处理；

E、将经过等静压处理的厚膜在高温环境下热处理，制得钛酸锶钡厚膜。

步骤A中，可采用搅拌及超声的方式分散。用于分散纳米粉体的溶剂可为分析纯级正丁醇溶液，也可用体积比为2∶8-8∶2的无水乙醇和乙酰丙酮的混合溶液。

步骤B中，电极放置在悬浮液中，保持两极板平行。

本发明中，所采用的化学原料为钛酸钡、钛酸锶纳米粉体。

本发明中，电泳沉积的电极材料可选择贵金属电极铂金，也可选择镀有耐高温电极的氧化铝基片。电泳沉积的时间可根据所需要的厚度来控制。厚膜厚度与电泳沉积时间约成正比关系。

本发明实施例最终所得钛酸锶钡厚膜的厚度约为20微米。

本发明中所述的电泳沉积方法是利用电泳动现象，在外加电场作用下，胶体粒子或颗粒在分散介质中作定向移动，达到电极基材后发生聚沉而形成较密集的微团结构的方法。

本发明中，恒电场条件是指恒电压或恒电流条件。

本发明中，等静压工艺是将制品放置到密闭的容器中，向制品施加各向同等的压力，在高压的作用下，制品得以成型及致密化。

本发明中，高温热处理是将实验所得样品放置在高温炉中进行热处理，电泳沉积后所得厚膜高温热处理的温度范围为1000℃～1350℃。热处理时间以1-4小时为宜。

本发明的方法设备简单，成本低、成膜快、组分易于调整，可大规模制备膜材料，且制得的铁电、介电厚膜具有良好的介电可调性，介电损耗低，可以应用于制备厚膜电容，移相器。

附图说明：

图1是实施例1复合沉积制备的铁电、介电厚膜的X射线衍射图谱(XRD)。

图2是实施例1复合沉积制备的铁电、介电厚膜在1000kHz频率下的介电常数与外加电场的关系图。

图3是实施例1复合沉积制备的铁电、介电厚膜在1000kHz频率下的介电损耗与外加电场的关系图。

图4是实施例2复合沉积制备的铁电、介电厚膜的X射线衍射图谱(XRD)。

图5是实施例2复合沉积制备的铁电、介电厚膜在1000kHz频率下的介电常数与外加电场的关系图。

图6是实施例2复合沉积制备的铁电、介电厚膜在1000kHz频率下的介电损耗与外加电场的关系图。

具体实施方式：

实施例1

在铂金(Pt)基底上电泳复合沉积Ba_(1-x)Sr_xTiO₃(x＝0.50)的铁电、介电厚膜：

A、所采用的化学原料为钛酸钡、钛酸锶纳米粉体，溶剂为正丁醇，先分别称取钛酸钡、钛酸锶纳米粉体0.2518g、0.1982g，再将粉体在60mL分析纯级正丁醇溶液中搅拌10分钟，再超声分散20分钟形成混合均匀的悬浮液，悬浮液浓度为7.5g/L。

B、将所使用的恒流/恒压电源调至恒流状态，并保持10μA的恒定输出值。

C、将电泳沉积使用的铂金电极固定在电泳槽中，两极板间距为2cm，在电泳过程中始终保持两极板平行。

D、将两电极接通电源，保持20分钟后获得具有一定厚度的厚膜。

E、将电泳沉积获得的厚膜从电泳溶液中取出，待膜自然阴干后等静压200MPa处理5分钟。

F、将等静压处理后的厚膜在1100℃环境下热处理4小时。电性能测试采用直流溅射方法在上表面制作Au圆形电极，厚度约为100nm。

制得的铁电、介电厚膜的X射线衍射分析图谱如图1所示，X射线衍射分析图谱显示厚膜呈现BST的钙钛矿相结构，没有其他杂相生成；制得的铁电、介电厚膜在1000kHz频率下的介电常数及介电损耗与外加电场的关系图如图2、图3所示。从图中可以看出，所制备的铁电、介电厚膜介电常数约为3500，且具有较低的介电损耗(＜0.011)，当外加电场为40V时，介电常数的变化率为≥30.0％，具有较好的介电性能，与采用预先合成钛酸锶钡粉体后再电泳沉积得到的厚膜结果一致。

实施例2

其与实施例1的不同之处在于，电泳复合沉积的铁电、介电厚膜为Ba_(1-x)Sr_xTiO₃(x＝0.60)，制备方法与实施例1相同，调整钛酸钡、钛酸锶纳米粉体质量分别为0.2952g、0.1548g。

最终制得Ba_(1-x)Sr_xTiO₃(x＝0.60)铁电、介电厚膜。电性能测试采用直流溅射方法在上表面制作Au圆形电极，厚度约为100nm。

实施例2制得的铁电、介电厚膜的X射线衍射分析图谱如图4所示，X射线衍射分析图谱显示厚膜呈现BST相结构，没有其他杂相生成；制得的铁电、介电厚膜在1000kHz频率下的介电常数及介电损耗与外加电场的关系图如图5、图6所示。从图中可以看出，所制备的铁电、介电厚膜在室温环境下介电常数约为6500，介电损耗约为0.055，当外加电场为40V时，介电常数的变化率为≥50.0％，与采用预先合成钛酸锶钡粉体后再电泳沉积得到的厚膜结果一致。

实施例3-6

制备方法与实施例1相同，其与实施例1的不同之处列于下表：

  实施例号  Ba_(1-x)Sr_xTiO₃  中x取值 钛酸钡(g) 钛酸锶(g)  高温热处理  温度(℃)  铁电、介电  厚膜厚度  (nm)  3  0.2  0.3760  0.0740  1350  20000  4  0.3  0.3365  0.1135  1000  20000  5  0.7  0.1587  0.2913  1100  20000  6  0.8  0.1085  0.3415  1100  20000

上述制得的铁电、介电厚膜的X射线衍射分析图谱均显示厚膜呈现BST相结构，没有其他杂相生成。