專利名稱：一種在金屬鎳基片上生長氧化物鐵電薄膜的方法
技術領域：
本發明屬于新材料合成技術領域，具體涉及一種氧化物鐵電薄膜材料技術領域。
背景技術：
鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鍶鋇(BST)、鋯鈦酸鉛(PZT)等鐵電材料是一種常見的介質材料，它們一般都具介電常數高、熱電、壓電、非線性光學等性質，被廣泛用于電容器、傳感器、鐵電存儲及光學器件等技術領域。早期在氧化物單晶比如鈦酸鍶(SrTiO3)、鋁酸鑭 (kaA103)上生長氧化物鐵電薄膜已經非常成熟，后來人們發現要將氧化物鐵電薄膜為介質材料的各類器件集成在印刷電路板甚至集成電路(IC)上，要求在金屬基片上生長氧化物鐵電薄膜是不可避免的。近年來，在鉬(Pt)、鉬銀合金(Pt-Ag)、金(Au)等金屬基片上生長氧化物鐵電薄膜已經有很多報道，但是Pt、Pt-Ag、Au等都是貴金屬，使產品成本很難降低， 在大規模應用時將是一個非常頭痛的問題。因此，嘗試在鎳(Ni)、銅(Cu)等常見金屬上生長氧化物鐵電薄膜顯得非常有意義。但是M、Cu等金屬相對Pt、Pt-Ag、Au等金屬要活潑， 表面極易被氧化。再者，要使氧化物鐵電薄膜直接在Ni、Cu等金屬基片上結晶也是非常困難的。在Ni基片上生長氧化鎳(NiO)作為過渡層(詳情見Z. Yuan, J. Liu, J. Weaver, C. L. Chen, J. C. Jiang, B. Lin and V. Giurgiutiu, A. Bhalla and R. Y. Guo, Ferroelectric BaTiO3 thin films on Ni metal tapes using NiO as buffer layer, APPLIED PHYSICS LETTERS90, 202901 O007))，可降低氧化物鐵電薄膜的生長難度。目前NiO都是用熱氧化的方法來制備的，需要同時很精確地控制氧化氣氛、溫度、時間等參量是比較困難的，而且熱氧化法要大面積比較均勻地制備NiO是比較困難的，因此造成利用NiO作為過度層制作氧化物鐵電薄膜也很困難，不能工業化應用。
發明內容
本發明的目的是為了克服現有的氧化物鐵電薄膜生長困難的缺點，提供了一種在金屬鎳基片上生長氧化物鐵電薄膜的方法。為了實現上述目的，本發明的技術方案是一種在金屬鎳基片上生長氧化物鐵電薄膜的方法，包括如下步驟步驟1 將拋光后的鎳基片放入強氧化劑溶液中浸泡一定時間后形成一層致密的氧化鎳過渡層，然后將鎳基片取出清洗并風干；步驟2 將預先配置好的相應的氧化物高分子混合溶液或溶膠凝膠(sol-gel)溶液滴在步驟1中得到的鎳基片上，用甩膠機進行甩膠使溶液均勻分布在鎳基片上；步驟3 對步驟2中得到的鎳基片進行燒結處理，燒結后得到位于鎳基片上生長的氧化物鐵電薄膜。本發明的有益效果在本發明中，拋光后的鎳基片浸泡于強氧化劑溶液后，很容易在鎳基片的表層形成一層穩定的氧化鎳可以作為形成氧化物鐵電薄膜過渡層，因此可以比較容易和穩定的制作氧化物鐵電薄膜，便于工業化生產氧化物鐵電薄膜，有效的降低了制造成本。
圖1是本發明的方法形成的BaTiO圖2是本發明的方法形成的BaTiO圖3是本發明的方法形成的BaTiO圖4是本發明的方法形成的BaTiO
3/Ni氧化物鐵電薄膜的X射線衍射譜。 3/Ni氧化物鐵電薄膜的AFM表面形貌圖。 3/Ni氧化物鐵電薄膜的C-V測量曲線。 3/Ni氧化物鐵電薄膜的C-f測量曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明左進一步的說明一種在金屬鎳基片上生長氧化物鐵電薄膜的方法，包括如下步驟步驟1 將拋光后的鎳基片放入強氧化劑溶液中浸泡一定時間后形成一層致密的氧化鎳過渡層，然后將鎳基片取出清洗并風干。本步驟中，強氧化劑溶液可以選擇雙氧水溶液以及高濃度的濃硫酸、濃硝酸或過硫酸銨溶液，若采用雙氧水溶液，其濃度范圍在 1 對30%之間。浸泡時間由氧化鎳過渡層的厚度決定，浸泡時間越長，厚度越大，浸泡時間的范圍可以在0. 5到10小時之間根據需要設定。本實施例中，取質量分數為30%的雙氧水IOml置于燒杯內，加去離子水稀釋至 30ml，得到質量分數為10%的雙氧水溶液。將盛有雙氧水溶液的燒杯放置于恒溫在50°C的水浴鍋中，等待5-8分鐘，雙氧水溶液溫度達到50°C時，將拋光后的鎳基片按照拋光面朝上的方式放入溶液中，浸泡1小時，取出后用去離子水清洗并用氮氣吹干。步驟2 將預先配置好的相應的氧化物高分子混合溶液或溶膠凝膠(sol-gel)溶液滴在步驟1中得到的鎳基片上，用甩膠機進行甩膠使溶液均勻分布在鎳基片上。本步驟中所采用的氧化物高分子混合溶液或溶膠凝膠溶液的具體組份由氧化物鐵電薄膜的材料特性決定，如氧化物鐵電薄膜的材料為BaTiO3,則氧化物高分子混合溶液或溶膠凝膠溶液含有Ba2+和Ti4+，如氧化物鐵電薄膜的材料為PZT，則氧化物高分子混合溶液或溶膠凝膠溶液含有此2+、Zr4+和Ti4+。本實施例中，將配置好的Ba2+、Ti4+高分子溶液涂在鎳基片上，用甩膠機甩平，甩膠機轉速為2500r/min時間為30s。甩膠后將鎳基片用鑷子取下來，放置于干凈的不銹鋼盒中。置于50°C的恒溫烘箱中烘30分鐘，取出在空氣中冷卻IOmin后，重復甩膠操作，反復甩膠2-6次，最后使+高分子溶液涂均勻分布在鎳基片上。步驟3 對步驟2中得到的鎳基片進行燒結處理，燒結后得到位于鎳基片上生長的氧化物鐵電薄膜。 本實施例中，把步驟2中得到的鎳基片放入陶瓷舟內，放置于管式爐的恒溫區內， 通lOOml/min的混合氣體保護，混合氣體的具體組分為氮氣(N2) 94%，氫氣(H2) 6 %。設定退火工藝，具體為從室溫升溫到510°C，升溫速率為rC/min ；在510°C保溫120min ；510°C 升溫到800°C，升溫速率5°C /min，在800°C保溫2_8小時，800°C -室溫，降溫速度為5°C / min，直到降溫至室溫就取出樣品，從而制得BaTi03/Ni氧化物鐵電薄膜.
下面通過相關圖紙對上述實施例制得的BaTi03/Ni氧化物鐵電薄膜進行分析，以證明本發明方案的可行性和有效性。如圖1所示，為BaTi03/Ni氧化物鐵電薄膜的X射線衍射譜，圖中，橫軸2theta表示衍射角度，單位為度(degrees)，縱軸Intensity表示光強度，單位為a. u (X射線衍射強度的計數單位)，由圖可知，出現了 BaTiO3的多個衍射峰，且基本上沒有雜相，證明了已經成功的合成了比較純的BaTiO3氧化物鐵電薄膜。如圖2所示，為BaTi03/Ni氧化物鐵電薄膜的AFM(原子力顯微鏡)表面形貌圖，該圖的掃描范圍為5 μ mX5 μ m，由圖可知，BaTiO3的晶粒比較均勻，晶粒尺寸分布在 300nm-400nm 之間。如圖3所示，為BaTi03/Ni氧化物鐵電薄膜的C-V測量曲線。圖中，橫軸voltage表示電壓，單位為伏特(ν)，左縱軸relative permittivity表示相對介電常數，無量綱，在圖中用三角形表示，右縱軸loss tangent表示損耗角正切值，無量綱，在圖中用正方形表示。 該測試在Angilent4284LRC測試系統進行，使用平板電極測試，電極面積為20 μ mX 20 μ m， 測試頻率為ΙΟΚΗζ，測試電壓范圍在-15v-15v之間，圖3表明BaTi03/Ni氧化物鐵電薄膜的相對介電常數在測試電壓范圍內處于70-140之間，相對介電常數值可通過改變電壓進行調制，可調率為44. 5%。如圖4所示，為BaTi03/Ni氧化物鐵電薄膜的C_f測量曲線。圖中，橫軸frequency 表示頻率，單位為度(kHz)，左縱軸relative permittivity表示相對介電常數，無量綱，在圖中用三角形表示，右縱軸loss tangent表示損耗角正切值，無量綱在圖中用正方形表示。該測試在Angilent4284 LRC測試系統進行，使用平板電極測試，電極面積為 20 μ mX 20 μ m，測試頻率范圍在1000Hz—ΙΟΟΟΚΗζ之間。圖4表明，BaTi03/Ni氧化物鐵電薄膜的相對介電常數在測試頻率范圍內變化不大，損耗角正切值也比較小，說明BaTi03/Ni 氧化物鐵電薄膜具有比較穩定的頻率特性和比較小的介電損耗。本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為本發明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據本發明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發明的保護范圍內。
權利要求
1. 一種在金屬鎳基片上生長氧化物鐵電薄膜的方法，包括如下步驟 步驟1 將拋光后的鎳基片放入強氧化劑溶液中浸泡一定時間后形成一層致密的氧化鎳過渡層，然后將鎳基片取出清洗并風干；步驟2:將預先配置好的相應的氧化物高分子混合溶液或溶膠凝膠(sol-gel)溶液滴在步驟1中得到的鎳基片上，用甩膠機進行甩膠使溶液均勻分布在鎳基片上。步驟3 對步驟2中得到的鎳基片進行燒結處理，燒結后得到位于鎳基片上生長的氧化物鐵電薄膜。
全文摘要
本發明涉及一種在金屬鎳基片上生長氧化物鐵電薄膜的方法，包括如下步驟步驟1將拋光后的鎳基片放入強氧化劑溶液中浸泡一定時間后形成一層致密的氧化鎳過渡層，然后將鎳基片取出清洗并風干；步驟2將預先配置好的相應的氧化物高分子混合溶液或溶膠凝膠溶液滴在步驟1中得到的鎳基片上，用甩膠機進行甩膠使溶液均勻分布在鎳基片上；步驟3對步驟2中得到的鎳基片進行燒結處理，燒結后得到位于鎳基片上生長的氧化物鐵電薄膜。本發明的有益效果可以比較容易和穩定的制作氧化物鐵電薄膜，便于工業化生產氧化物鐵電薄膜，有效的降低了制造成本。
文檔編號C23C28/04GK102174697SQ20111005184
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月4日 優先權日2011年3月4日
發明者劉升華, 吉彥達, 曾慧中, 林媛, 梁偉正, 黃文 , 黃江 申請人:電子科技大學