自組裝制備鈦酸鍶鋇薄膜及性能研究.pdf

1、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料鈦酸鍶鋇BaxSr1-xTiO3是一種重要的電子陶瓷材料，它是SrTiO3和BaTiO3的x在0～1整個(gè)范圍內(nèi)的固溶體，不但具有SrTiO3的物化穩(wěn)定性和半導(dǎo)體性能，而且還具有BaTiO3的高介電常數(shù)、低介電損耗性能，兩種材料固溶后就形成了優(yōu)越的鐵電、壓電、熱釋電性能。BaxSr1-xTiO3薄膜材料的應(yīng)用范圍很廣，在微型電容器、超大規(guī)模動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器、微波單片集成電路、熱敏電阻、調(diào)諧微波器件等領(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用

2、。
　　 本論文選擇了一種新型的薄膜材料制備方法——液相自組裝技術(shù)，能夠在較低溫度的條件下將導(dǎo)電玻璃基片浸入前驅(qū)溶液中沉積納米BaxSr1-xTiO3薄膜。這種方法把自組裝單分子膜技術(shù)與液相沉積技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮了各自的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中采用了紫外光照射技術(shù)與接觸角理論來研究基片前期處理過程的變化情況。在導(dǎo)電玻璃基片表面成功制備了與基片結(jié)合緊密、形貌均勻致密的SrTiO3功能陶瓷薄膜，通過Ba元素A位摻雜沉積出BaxSr1-x

3、TiO3納米晶體薄膜，并對(duì)所制備的薄膜進(jìn)行了性能的測(cè)試分析。
　　 通過分析基片前期處理過程中紫外光照射對(duì)基片表面的影響及變化，采用接觸角測(cè)試儀、傅立葉變換紅外光譜分析和X射線光電子能譜分析等測(cè)試手段，探討研究出紫外光照射對(duì)基片的清潔作用。結(jié)果表明，隨著紫外光照射時(shí)間的延長(zhǎng)，清洗干凈的基片表面發(fā)生了化學(xué)變化，高能量的紫外光將Si-O-Si斷裂重組生成了親水基團(tuán)Si-OH，使得接觸角逐漸減小，在20min后接觸角小于5°，基片表面

4、潤濕性良好，達(dá)到完全親水的原子級(jí)清潔狀態(tài)。將原子級(jí)清潔的基片浸入到1vol％的OTS-甲苯溶液中進(jìn)行OTS單分子膜的自組裝過程，通過接觸角測(cè)試儀、傅立葉變換紅外光譜測(cè)試、X射線光電子能譜測(cè)試和原子力顯微鏡測(cè)試等方法分析出OTS單分子膜在基片表面的自組裝生長(zhǎng)機(jī)理。研究表明，隨著OTS溶液浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，基片表面的-OH與水解后的OTS單分子鏈中的-OH發(fā)生脫水縮合，同時(shí)相鄰的OTS單分子-OH也發(fā)生縮合，形成二維的單分子膜層，單分子鏈端的

5、-CH3為疏水基團(tuán)，導(dǎo)致基片的接觸角逐漸增大，在30min后達(dá)到最大值109°44′，表明基片表面的OTS單分子膜層已經(jīng)組裝完全。對(duì)經(jīng)過OTS自組裝單分子膜沉積的基片進(jìn)行第二次紫外光照射，采用接觸角測(cè)試儀、傅立葉變換紅外光譜、X射線光電子能譜和原子力顯微鏡等測(cè)試手段研究紫外光照射對(duì)OTS單分子層的改性機(jī)理，分析表明，隨著紫外光照射時(shí)間的延長(zhǎng)，OTS單分子鏈被高能量的紫外光切斷形成親水基團(tuán)鏈端羥基，接觸角逐漸變小，到40min時(shí)已經(jīng)小于5

6、°，表現(xiàn)為完全親水。
　　 本實(shí)驗(yàn)對(duì)薄膜的制備工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，通過X射線衍射儀、掃描電鏡和X射線光電子能譜等測(cè)試手段分析了前驅(qū)溶液的pH值、沉積溫度、沉積時(shí)間和退火溫度對(duì)薄膜的影響，研究結(jié)果表明：制備SrTiO3薄膜的前驅(qū)溶液的pH值為3.0，沉積溫度50℃，沉積時(shí)間為8h時(shí)可以沉積出表面平整光滑，結(jié)構(gòu)致密均一的非晶態(tài)薄膜，經(jīng)過600℃退火2h后非晶態(tài)薄膜的結(jié)晶性良好；通過摻雜不同比例的Ba元素制備BaSr1-xTiO3薄

7、膜，XRD譜圖中SrTiO3的特征峰隨著Ba含量的增加發(fā)生了明顯的偏移，同時(shí)掃描電鏡圖中的晶粒尺寸變大，能譜分析中出現(xiàn)了Ba元素的特征峰，表明Ba元素?fù)诫s成功，沉積了BaxSr1-xTiO3薄膜。
　　 對(duì)所沉積的SrTiO3薄膜和BaxSr1-xTiO3薄膜進(jìn)行電性能研究，采用美國安捷倫E4980A精密LCR測(cè)試儀對(duì)經(jīng)過退火晶化的BaxSr1-xTiO3薄膜進(jìn)行電性能測(cè)試。介電常數(shù)隨著頻率的升高而降低，介電損耗隨頻率的升高而增