專利名稱：一種制備鐵酸鉍薄膜材料的方法
技術領域：
本發明涉及一種鐵酸鉍薄膜的制備方法，具體是指一種基于濕化學方法制備鐵酸鉍薄膜材料的方法。
背景技術：
磁電多鐵材料是指在一定的溫度范圍內表現出共存的鐵電有序和磁性有序的材料，其鐵電性和鐵磁性的耦合還能產生新的磁電耦合效應，該效應使得器件設計的自由度大為增加。隨著整機和系統向著小型化、輕量化、集成化的方向發展，它在電子傳感，信息存儲和讀取，能量轉換、集成電路等諸多領域具有廣闊的應用前景。鐵酸鉍(BiFeO3, BF0)是目前發現的唯一在室溫下同時具有鐵電性和反鐵磁性的單相多鐵材料。BiFeO3的鐵電居里溫度為820°C，反鐵磁奈爾溫度為370°C，最近因為在鈣鈦礦單晶襯底上的外延生長獲得了極強的鐵電性而成為研究熱點。目前鐵酸鉍的主要制備方法有脈沖激光沉積法、射頻磁控濺射法、溶膠-凝膠法等，相對于物理方法而言，溶膠-凝膠方法設備簡單，化學組分計量精確，容易大面積成膜，但是此方法不易制備外延鐵酸鉍薄膜，而且得到的薄膜漏導較大，對前驅體溶液要求較高，容易污染環境，因此對鐵酸鉍薄膜的溶膠-凝膠法的制備工藝進行改進是必要的。

發明內容
為了克服現有技術工藝復雜、成本高的不足，本發明提供一種鐵酸鉍薄膜的制備方法，采用簡單的溶膠-凝膠方法在LaNiO3底電極上制備了 BiFeO3薄膜，獲得了相對大的剩余極化和飽和的電滯回線，而且工藝簡便，成本低廉、重復性好。本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟步驟一，襯底的預處理將Si (100)/SiO2襯底用丙酮在超聲清洗器中充分清洗后，用去離子水煮沸10分鐘，再用乙醇在超聲清洗器中充分清洗，最后放在紅外燈下烘干，備用；在Si (100)/SiO2襯底上采用濕化學方法生長LaNiO3底電極。步驟二，鐵酸鉍(BiFeO3)前驅體溶液的配置a)稱取一定量(2.0201 6. 0603g，O. 005 O. 015mol)的硝酸鐵 (Fe (NO3) 3 ·9Η20),加入15ml的去離子水,在50 80°C下攪拌10 30min使之完全溶解；向其中加入O. 5 I. 5ml的濃硝酸(16mol/L)，溶液變為無色，按鐵三乙醇胺為I : O. 5 2的摩爾比加入三乙醇胺,攪拌O. 5 2h。b)稱取和硝酸鐵等摩爾量(2. 4255g 7. 2765g，0. 005 O. 015mol)的硝酸鉍 (Bi(NO3)3 · 5H20)，加入15ml的去離子水，在50 80°C下攪拌10 30min，向其中加入
O.5 I. 5ml的濃硝酸(16mol/L)，溶液為無色，按鉍三乙醇胺為I : O. 5 2的摩爾比加入三乙醇胺，攪拌O. 5 2h。c)混合步驟a)和b)制備的溶液,加入3 5g丙三醇攪拌O. 5 Ih,再加入6 14ml質量百分比為I. 25%的聚乙烯醇(PVA)水溶液，攪拌I 3h，得到混合溶液，用慢速濾紙對混合溶液過濾，得到透明的鐵酸鉍前驅體溶液。所述的慢速濾紙是定性慢速濾紙，型號是 103。步驟三，薄膜材料的制備a)將BiFeO3前驅體溶液通過勻膠機旋涂到涂覆有LaNiO3底電極的Si (100) /SiO2 襯底上，以3000 5000r/min旋涂20s 30s，得到凝膠膜。b)將凝膠膜置于退火爐中分段進行熱處理，即在130 200°C加熱10 30min，再在300 400°C熱解15 30min，重復上述過程，直到所需厚度，最后在500 600°C高溫退火Ih制得BiFeO3薄膜。本發明的有益效果是本發明摒棄了現有技術中常用的冰乙酸和乙二醇甲醚作溶劑，以水作溶劑，成本低廉且無污染；本發明的制備成本低、利于大規模的工業化生產；配制的前驅體溶液性能穩定，可以長期保存。下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。


圖I為本發明實施例中所制備BiFeO3薄膜的XRD圖譜；圖2為本發明實施例中所制備BiFeO3薄膜的掃描電鏡照片；圖3為本發明實施例中所制備BiFeO3薄膜的電滯回線；圖4為本發明的實施流程圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例I將Si (100) /SiO2襯底用丙酮在超聲清洗器中充分清洗后，用去離子水煮沸lOmin， 再用乙醇在超聲清洗器中充分清洗后放在紅外燈下烘干，備用；a 稱取一定量(2. 0201g, O. 005mol)的硝酸鐵(Fe (NO3) 3 · 9H20)，加入 15ml 的去離子水，在50°C下攪拌30min使之完全溶解；向其中加入O. 5ml的濃硝酸(16mol/L),溶液變為無色，按鐵三乙醇胺為I : O. 5的摩爾比加入三乙醇胺，攪拌O. 5h。b稱取和硝酸鐵等摩爾量(2. 4255g，0. 005mol)的硝酸鉍(Bi (NO3)3 · 5H20)，加入 15ml的去離子水,在50°C下攪拌30min,向其中加入I. 5ml的濃硝酸(16mol/L),溶液為無色，按鉍三乙醇胺為I : 2的摩爾比加入三乙醇胺，攪拌2h。c混合步驟a和b制備的溶液,加入3g丙三醇攪拌O. 5h,再加入6ml I. 25%的聚乙烯醇(PVA)水溶液，攪拌lh，用慢速濾紙對混合溶液過濾，得到透明的鐵酸鉍前驅體溶液。 將BiFeO3前驅體通過勻膠機旋涂到涂覆有LaNiO3底電極的基片上，以3000r/min旋涂30s， 得到凝膠膜。將凝膠膜置于退火爐中分段進行熱處理，即在200°C加熱lOmin，再在300°C熱解30min，重復上述過程，直到所需厚度，最后在500°C高溫退火Ih制得BiFeO3薄膜。實施例2
將Si (100) /SiO2襯底用丙酮在超聲清洗器中充分清洗后，用去離子水煮沸lOmin， 再用乙醇在超聲清洗器中充分清洗后放在紅外燈下烘干，備用；a 稱取一定量(6. 0603g, O. 015mol)的硝酸鐵(Fe (NO3) 3 · 9H20)，加入 15ml 的去離子水，在80°C下攪拌IOmin使之完全溶解；向其中加入I. 5ml的濃硝酸(16mol/L),溶液變為無色，按鐵三乙醇胺為I : 2的摩爾比加入三乙醇胺，攪拌2h。b稱取和硝酸鐵等摩爾量(7. 2765g，0. 015mol)的硝酸鉍(Bi (NO3)3 · 5H20)，加入 15ml的去離子水,在80°C下攪拌IOmin,向其中加入1.5ml的濃硝酸(16mol/L),溶液為無色，按鉍三乙醇胺為I : O. 5的摩爾比加入三乙醇胺，攪拌O. 5h。c混合步驟a和b制備的溶液，加入4g丙三醇攪拌lh，再加入IOml I. 25%的聚乙烯醇(PVA)水溶液，攪拌2h，用慢速濾紙對混合溶液過濾，得到透明的鐵酸鉍前驅體溶液。 將BiFeO3前驅體通過勻膠機旋涂到涂覆有LaNiO3底電極的基片上，以5000r/min旋涂20s， 得到凝膠膜。將凝膠膜置于退火爐中分段進行熱處理，即在150°C加熱20min，再在350°C熱解20min，重復上述過程，直到所需厚度，最后在600°C高溫退火Ih制得BiFeO3薄膜。實施例3將Si (100) /SiO2襯底用丙酮在超聲清洗器中充分清洗后，用去離子水煮沸lOmin， 再用乙醇在超聲清洗器中充分清洗后放在紅外燈下烘干，備用；a 稱取一定量(4. 0402g, O. Olmol)的硝酸鐵(Fe (NO3) 3 · 9H20)，加入 15ml 的去離子水，在70°C下攪拌15min使之完全溶解；向其中加入Iml的濃硝酸(16mol/L)，溶液變為無色，按鐵三乙醇胺為I : I的摩爾比加入三乙醇胺，攪拌lh。b稱取和硝酸鐵等摩爾量(4. 8510g，0. Olmol)的硝酸鉍(Bi (NO3)3 · 5H20)，加入 15ml的去離子水,在50°C下攪拌30min,向其中加入Iml的濃硝酸(16mol/L),溶液為無色, 按鉍三乙醇胺為I : I的摩爾比加入三乙醇胺，攪拌lh。c混合步驟a和b制備的溶液,加入5g丙三醇攪拌lh,再加入14ml I. 25%的聚乙烯醇(PVA)水溶液，攪拌3h，用慢速濾紙對混合溶液過濾，得到透明的鐵酸鉍前驅體溶液。 將BiFeO3前驅體通過勻膠機旋涂到涂覆有LaNiO3底電極的基片上，以4000r/min旋涂20s， 得到凝膠膜。將凝膠膜置于退火爐中分段進行熱處理，即在130°C加熱30min，再在400°C熱解15min，重復上述過程，直到所需厚度，最后在550°C高溫退火Ih制得BiFeO3薄膜。
權利要求
1.一種制備鐵酸鉍薄膜材料的方法，其特征在于包括下述步驟步驟一，襯底的預處理將Si (100) /SiO2襯底用丙酮在超聲清洗器中充分清洗后，用去離子水煮沸10分鐘，再用乙醇在超聲清洗器中充分清洗，最后放在紅外燈下烘干，備用；在Si (100)/SiO2襯底上采用濕化學方法生長LaNiO3底電極；步驟二，BiFeO3前驅體溶液的配置a)稱取2.0201 6. 0603g的Fe(NO3)3 · 9H20，加入15ml的去離子水，在50 80°C下攪拌10 30min使之完全溶解；向其中加入O. 5 I. 5ml的濃度為16mol/L的硝酸,溶液變為無色，按鐵三乙醇胺為I : O. 5 2的摩爾比加入三乙醇胺，攪拌O. 5 2h ;b)稱取和Fe(NO3) 3 · 9H20等摩爾量的Bi (NO3) 3 · 5H20,加入15ml的去離子水，在50 80°C下攪拌10 30min,向其中加入O. 5 I. 5ml的濃度為16mol/L的硝酸，溶液為無色， 按鉍三乙醇胺為I : O. 5 2的摩爾比加入三乙醇胺，攪拌O. 5 2h ;c)混合步驟a)和b)制備的溶液,加入3 5g丙三醇攪拌O.5 Ih,再加入6 14ml 質量百分比為I. 25%的聚乙烯醇水溶液，攪拌I 3h，得到混合溶液，用慢速濾紙對混合溶液過濾，得到透明的BiFeO3前驅體溶液；步驟三，薄膜材料的制備a)將BiFeO3前驅體溶液旋涂到涂覆有LaNiO3底電極的Si(100)/^02襯底上，以 3000 5000r/min旋涂20s 30s，得到凝膠膜；b)將凝膠膜置于退火爐中分段進行熱處理，即在130 200°C加熱10 30min，再在 300 400°C熱解15 30min，重復上述過程，直到所需厚度，最后在.500 600°C高溫退火 Ih制得BiFeO3薄膜。
全文摘要
本發明公開了一種制備鐵酸鉍薄膜材料的方法，首先進行襯底的預處理，然后進行BiFeO3前驅體溶液的配置，最后完成薄膜材料的制備。本發明采用簡單的溶膠-凝膠方法在LaNiO3底電極上制備了BiFeO3薄膜，獲得了相對大的剩余極化和飽和的電滯回線。本發明以水作溶劑，成本低廉且無污染；本發明的制備成本低、利于大規模的工業化生產；配制的前驅體溶液性能穩定，可以長期保存。
文檔編號C04B41/50GK102603360SQ201210070910
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月18日 優先權日2012年3月18日
發明者彭煥英, 殷明志, 蔣迪波 申請人:西北工業大學