专利名称：一种低晶化温度下制备高度(100)取向无铅压电薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及无铅压电薄膜制备的领域。
背景技术：
近年来，压电陶瓷及其薄膜材料以其优良的介电、压电、电光及非线性光学等特性，在微电子学、光电子学、集成光学、微机械学等领域具有广泛的应用前景。然而，在其材料选择及制备方法上仍存在一些问题:如(I)现有多数压电薄膜含铅量过大，给环境和人类生活带来了严重危害；(2)在制备过程中，薄膜晶化温度过高，不利于大面积Si集成电路的应用；(3)薄膜制备通常选择的基底为(lll)Pt/Ti/Si02/Si，致使在薄膜制备过程中，其织构度较差，虽然利用单晶的MgO、SrTiO3或LaAlO3衬底沉积的薄膜具有强的织构，但由于选择单晶衬底沉积外延薄膜增加了制备器件所用的材料及设备成本，不利于大面积Si集成电路的应用和大规模工业化生产。
发明内容
本发明是要解决现有的压电薄膜材料多数含铅量较大及其制备过程中薄膜晶化温度过高、织构度较差、成本高、工艺复杂且不利于大面积Si集成电路应用的问题，提供了一种低晶化温度下制备高度(100)取向无铅压电薄膜的方法。一种低晶化温度下制备高度(100)取向无铅压电薄膜的方法，具体按以下步骤来实现:一、向醋酸中加入醋酸镧和醋酸钙，在温度为60°C 80°C下，以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min后，得到溶液C，向溶液中加入乙二醇甲醚，在温度为60V 80°C下，以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min后，进行过滤，冷却至室温，得到溶液D,再向溶液D中加入钛酸四丁酯，以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min后，得到溶胶A ;其中，溶胶A中的醋酸镧与钛酸四丁酯的质量体积比为(0.50 0.55)g: lml，醋酸钙与钛酸四丁酯的质量体积比为(0.25 0.30) g: lml，醋酸与钛酸四丁酯的体积比(7.79 10.25): 1，乙二醇甲醚与钛酸四丁酯的体积比(2.87 5.33): I ；二、向乙二醇甲醚中加入醋酸铅，在温度为60°C 80°C下，以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌IOmin 20min,冷却至室温,然后加入钛酸四丁酯，以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min,得到溶胶B ;其中，溶胶B中醋酸铅与钛酸四丁酯的质量体积比为(1.15 1.26) g: lml,乙二醇甲醚与钛酸四丁酯的体积比为(2.70 4.50): I ；三、将溶胶A和溶胶B混合后，得混合溶胶，然后加入乙二醇甲醚调整混合溶胶浓度为0.15M 0.25M，再以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min后，静置20h 28h，得到钛酸铅镧钙溶胶；
四、向醋酸中加入醋酸钠、醋酸钾和硝酸铋，在60°C 80°C下，以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min后,得到E溶液；向乙二醇甲醚和乙酰丙酮的混合溶液中加入钛酸四丁酯，在室温下以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌IOmin 20min后，加入甲酰胺溶液，以相同的搅拌速率搅拌IOmin 20min，得到F溶液；将E和F溶液混合，得到E和F的混合溶液，然后加入乙二醇甲醚调整E和F的混合溶液的浓度为
0.2M 0.3M,再以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min，静置20h 28h，得到钛酸铋钠钾溶胶；其中，E溶液中的的醋酸钠与醋酸的质量体积比为(0.045 0.049)g: 1ml，醋酸钾与醋酸的质量体积比为(0.009 0.013) g: 1ml，硝酸铋与醋酸的质量体积比(0.320 0.324) g: lml ；F溶液所述乙二醇甲醚与钛酸四丁酯的体积比为(3.46 5.76): 1，乙酰丙酮与钛酸四丁酯的体积比为(0.92 1.15): 1，甲酰胺与钛酸四丁酯的体积比为(0.46 0.69): I ；五、在(lll)Pt/Ti/Si02/Si基底上首先旋转涂覆一层钛酸铅镧钙溶胶，旋转速度为4500rpm 5500rpm，涂覆时间为15s 20s，然后将其置于温度为425°C 475°C条件下进行热分解，得到种子层薄膜，然后在种子层薄膜上旋转涂覆6 12层钛酸铋钠钾溶胶，再置于425°C 475°C条件下进行热分解，最后置于450°C 500°C的快速退火炉中进行退火晶化处理，即得到高度取向无铅压电薄膜；其中旋转涂覆6 12层钛酸铋钠钾溶胶的涂覆每一层所需的时间为15s 20s,涂覆每一层的旋转速度为4500rpm 5500rpm。本发明的优点:一、本发明的高度(100)取向无铅压电薄膜只有最底层极薄的种子层薄膜含铅，整个薄膜体系含铅量很低，基本不会对环境和人类生活造成危害，具有很好的环保特性。二、本发明的高度(100)取向无铅压电薄膜主要利用钛酸铅镧钙(PLCT)种子层优良的低温(425°C 475°C )晶化特性和强(100)织构特性，致使钛酸铋钠钾(NKBT)薄膜在PLCT种子层上形核比较容易，且两者晶格匹配良好，导致其在较低温度(450°C 500°C)下即可晶化，利于大面积Si集成电路的应用；同时，PLCT种子层极强的(100)织构诱导上面的NKBT层产生强的(100)取向，从而使其性能大大提高。三、本发明的高度(100)取向的压电薄膜体系，其钛酸铅镧钙(PLCT)种子层和上层的钛酸铋钠钾层的热分解温度都严格控制在425°C 475°C温度范围内。若温度过低，整个压电薄膜体系内的有机物挥发不完全，残留的有机物会严重影响本发明的薄膜体系，得不到本发明薄膜的优良性能；若温度过高，就会在薄膜体系内生成焦绿石相物质，这种物质是杂质相，同样会使本发明的薄膜体系的性能大大降低；另外，过高的温度还会使薄膜体系中的易挥发元素(铋、钠、钾等)挥发严重，这样也得不到本发明薄膜的优良性能。四、在绝大多数情况下，此薄膜体系的退火晶化温度为600°C 700°C，而本发明制备的压电薄膜体系在较低的温度(475°C )下就能晶化，并且呈现出优良的(100)取向；即使在如此低的晶化温度下，依然能够得到较好的压电性能。五、在与多数情况相同的制备温度(700°C )下，本发明的带有种子层的高度(100)取向的压电薄膜的压电系数比先前文献报道的数值有所提高。
六、本发明工艺、设备非常简单，所用原材料均为市场所售、价格低廉、成本较低，易于器件集成，适合于工业化生产。
图1为薄膜经475°C退火晶化后的XRD图；其中a为对照组制备的NKBT薄膜的XRD图，b为试验组制备的高度(100)取向无铅压电薄膜的XRD图；图2为薄膜经700°C退火晶化后的XRD图；其中a为经700°C退火晶化后对照组的NKBT薄膜的XRD图，b为经700°C退火晶化后试验组的高度(100)取向无铅压电薄膜的XRD图。
具体实施例方式具体实施方式
一:本实施方式是一种低晶化温度下制备高度(100)取向无铅压电薄膜的方法，具体按以下步骤来实现:一、向醋酸中加入醋酸镧、醋酸钙，在温度为60°C 80°C下，以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min后，得到溶液C，向溶液中加入乙二醇甲醚，在温度为60V 80°C下，以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min后，进行过滤，冷却至室温，得到溶液D,再向溶液D中加入钛酸四丁酯，以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min后，得到溶胶A ;其中，溶胶A中的醋酸镧与钛酸四丁酯的质量体积比为(0.50 0.55)g: lml，醋酸钙与钛酸四丁酯的质量体积比为(0.25 0.30) g: lml，醋酸与钛酸四丁酯的体积比(7.79 10.25): 1，乙二醇甲醚与钛酸四丁酯的体积比(2.87 5.33): I ；二、向乙二醇甲醚中加入醋酸铅，在温度为60°C 80°C下，以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌IOmin 20min,冷却至室温,`然后加入钛酸四丁酯，以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min,得到溶胶B ;其中，溶胶B中醋酸铅与钛酸四丁酯的质量体积比为(1.15 1.26) g: lml,乙二醇甲醚与钛酸四丁酯的体积比为(2.70
4.50): I ；三、将溶胶A和溶胶B混合后，得混合溶胶，然后加入乙二醇甲醚调整混合溶胶浓度为0.15M 0.25M，再以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min后，静置20h 28h，得到钛酸铅镧钙溶胶；四、向醋酸中加入醋酸钠、醋酸钾、硝酸铋，在60°C 80°C下，以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min后,得到E溶液；向乙二醇甲醚和乙酰丙酮的混合溶液中加入钛酸四丁酯,在室温下以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌IOmin 20min后，加入甲酰胺溶液，以相同的搅拌速率搅拌IOmin 20min，得到F溶液；将E和F溶液混合，得到E和F的混合溶液，然后加入乙二醇甲醚调整E和F的混合溶液的浓度为0.2M 0.3M，再以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min,静置20h 28h,得到钛酸秘钠钾溶胶；其中，E溶液中的的醋酸钠与醋酸的质量体积比为(0.045 0.049) g: 1ml，醋酸钾与醋酸的质量体积比为(0.009 0.013) g: 1ml，硝酸铋与醋酸的质量体积比(0.320
0.324) g: lml ;F溶液所述乙二醇甲醚与钛酸四丁酯的体积比为(3.46 5.76): I,乙酰丙酮与钛酸四丁酯的体积比为(0.92 1.15): 1，甲酰胺与钛酸四丁酯的体积比为(0.46 0.69): I ；五、在(lll)Pt/Ti/Si02/Si基底上首先旋转涂覆一层钛酸铅镧钙溶胶，旋转速度为4500rpm 5500rpm，涂覆时间为15s 20s，然后将其置于温度为425°C 475°C条件下进行热分解，得到种子层薄膜，然后在种子层薄膜上旋转涂覆6 12层钛酸铋钠钾溶胶，再置于425°C 475°C条件下进行热分解，最后置于450°C 500°C的快速退火炉中进行退火晶化处理，即得到高度取向无铅压电薄膜；其中旋转涂覆6 12层钛酸铋钠钾溶胶的涂覆每一层所需的时间为15s 20s,涂覆每一层的旋转速度为4500rpm 5500rpm。本实施方式的优点:一、本实施方式的高度(100)取向无铅压电薄膜只有最底层极薄的种子层薄膜含铅，整个薄膜体系含铅量很低，基本不会对环境和人类生活造成危害，具有很好的环保特性。二、本实施方式的高度(100)取向无铅压电薄膜主要利用钛酸铅镧钙(PLCT)种子层优良的低温(425°C 475°C )晶化特性和强(100)织构特性，致使钛酸铋钠钾(NKBT)薄膜在PLCT种子层上形核比较容易，且两者晶格匹配良好，导致其在较低温度(450°C 5000C )下即可晶化，利于大面积Si集成电路的应用；同时，PLCT种子层极强的(100)织构诱导上面的NKBT层产生强的(100)取向，从而使其性能大大提高。三、本实施方式的高度(100)取向的压电薄膜体系，其钛酸铅镧钙(PLCT)种子层和上层的钛酸铋钠钾层的热分解温度都严格控制在425°C 475°C温度范围内。若温度过低，整个压电薄膜体系内的有机物挥发不完全，残留的有机物会严重影响本实施方式的薄膜体系，得不到本实施方式薄膜的优良性能；若温度过高，就会在薄膜体系内生成焦绿石相物质，这种物质是杂质相，同样会使本实施方式的薄膜体系的性能大大降低；另外，过高的温度还会使薄膜 体系中的易挥发元素(铋、钠、钾等)挥发严重，这样也得不到本实施方式薄膜的优良性能。四、在绝大多数情况下，此薄膜体系的退火晶化温度为600°C 700°C，而本实施方式制备的压电薄膜体系在较低的温度(475°C )下就能晶化，并且呈现出优良的(100)取向；即使在如此低的晶化温度下，依然能够得到较好的压电性能。五、在与多数情况相同的制备温度(700°C )下，本实施方式的带有种子层的高度(100)取向的压电薄膜的压电系数比先前文献报道的数值有所提高。六、本实施方式工艺、设备非常简单，所用原材料均为市场所售、价格低廉、成本较低，易于器件集成，适合于工业化生产。
具体实施方式
二:本实施方式与具体实施方式
一的不同的是:步骤一的A溶胶中的醋酸镧与钛酸四丁酯的质量体积比为0.52g: Iml ;醋酸钙与钛酸四丁酯的质量体积比为0.27g: 1ml，醋酸与钛酸四丁酯的体积比为9.02: 1，乙二醇甲醚与钛酸四丁酯的体积比为4.10:1。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三:本实施方式与具体实施方式
一或二的不同的是:步骤二的B溶胶中的醋酸铅与钛酸四丁酯的质量体积比为1.21g: 1ml，乙二醇甲醚与钛酸四丁酯的体积比为3.60:1。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四:本实施方式与具体实施方式
一至三之一的不同的是:步骤三中加入乙二醇甲醚调整混合溶胶浓度为0.2M。其它与具体实施方式
一至三之一相同。
具体实施方式
五:本实施方式与具体实施方式
一至四之一的不同的是:步骤四中E溶液中的醋酸钠与醋酸的质量体积比为0.047g: Iml ;醋酸钾与醋酸的质量体积比为
0.0llg: Iml ;硝酸铋与醋酸的质量体积比为0.322g: lml。其它与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
六:本实施方式与具体实施方式
一至五之一的不同点是:步骤四中F溶液所述的乙二醇甲醚与钛酸四丁酯的体积比为4.61: I ;乙酰丙酮与钛酸四丁酯的体积比为1:1 ;甲酰胺与钛酸四丁酯的体积比为0.58: I。其它与具体实施方式
一至五之一相同。
具体实施方式
七:本实施方式与具体实施方式
一至六之一的不同点是:步骤四中加入乙二醇甲醚调整E和F的混合溶液的浓度为0.25M。其它与具体实施方式
一至六之一相同。
具体实施方式
八:本实施方式与具体实施方式
一至七之一的不同的是:步骤五中在种子层薄膜上旋转涂覆9层钛酸铋钠钾溶胶。其它与具体实施方式
一至七之一相同。
具体实施方式
九:本实施方式与具体实施方式
一至八之一的不同的是:步骤五中的钛酸铅镧钙溶胶和钛酸铋钠钾溶胶的热分解温度都为450°C。其它与具体实施方式
一至八之一相同。
具体实施方式
十:本实施方式与具体实施方式
一至九之一的不同的是:步骤五中置于475°C的快速退火炉中进行退火晶化处理。其它与具体实施方式
一至九之一相同。通过以下试验验证本实施方式的有益效果:试验:本试验分为试验组和对照组。试验组为带有种子层薄膜的高度(100)取向无铅压电薄膜，对照组为不带有种子层薄膜的NKBT薄膜。试验组的低晶化温度下制备高度(100)取向无铅压电薄膜的方法，具体是按以下步骤完成的:一、向醋酸中加入醋酸镧和醋酸钙，在温度为70°C下，以300r/min的搅拌速率搅拌30min后，得到溶液C，向溶液中加入乙二醇甲醚，在温度为70°C下，以300r/min的搅拌速率搅拌30min后，进行过滤，冷却至室温，得到溶液D，再向溶液D中加入钛酸四丁酯，以300r/min的搅拌速率搅拌30min后，得到溶胶A ;其中，溶胶A中的醋酸镧与钛酸四丁酯的质量体积比为0.52g: Iml ;醋酸钙与钛酸四丁酯的质量体积比为0.27g: 1ml，醋酸与钛酸四丁酯的体积比为9.02: 1，乙二醇甲醚与钛酸四丁酯的体积比为4.10: I。二、向乙二醇甲醚中加入醋酸铅，在温度为70°C下，以300r/min的搅拌速率搅拌15min,冷却至室温,然后加入钛酸四丁酯，以300r/min的搅拌速率搅拌30min,得到溶胶B ；其中，溶胶B中的醋酸铅与钛酸四丁酯的质量体积比为1.21g: 1ml，乙二醇甲醚与钛酸四丁酯的体积比为3.60: I。三、将溶胶A和溶胶B混合后，得混合溶胶，然后加入乙二醇甲醚调整混合溶胶浓度为0.2M，再以300r/min的搅拌速率搅拌30min后，静置24h，得到钛酸铅镧钙溶胶；其中钛酸铅镧钙溶胶的分子式为(Pb0.8La0.A.D Ti0.97503 (PLCT)，四、向醋酸中加入醋酸钠、醋酸钾、硝酸铋，在70°C下，以300r/min的搅拌速率搅拌30min后，得到E溶液；向乙二醇甲醚和乙酰丙酮的混合溶液中加入钛酸四丁酯，在室温下以300r/min的搅拌速率搅拌15min后，加入甲酰胺溶液，然后以相同的搅拌速率搅拌15min，得到F溶液；将E和F溶液混合，得到E和F的混合溶液，然后加入乙二醇甲醚调整E和F的混合溶液的浓度为0.25M，再以300r/min的搅拌速率搅拌30min，静置24h，得到钛酸铋钠钾溶胶；钛酸铋钠钾溶胶的分子式为(Naa85Kai5)a5Bia5TiO3(NKBT)。其中，E溶液中的醋酸钠与醋酸的质量体积比为0.047g: Iml ;醋酸钾与醋酸的质量体积比为
0.0llg: Iml ;硝酸铋与醋酸的质量体积比为0.322g: lml。F溶液所述的乙二醇甲醚与钛酸四丁酯的体积比为4.61: I ;乙酰丙酮与钛酸四丁酯的体积比为1:1;甲酰胺与钛酸四丁酯的体积比为0.58: I。五、在(lll)Pt/Ti/Si02/Si基底上首先旋转涂覆一层钛酸铅镧钙溶胶，旋转速度为5000rpm，涂覆时间为18s然后将其置于温度为450°C条件下进行热分解，得到种子层薄膜，然后在种子层薄膜上旋转涂覆9层钛酸铋钠钾溶胶，再置于450°C条件下进行热分解，最后置于475°C的快速退火炉中进行退火晶化处理，即得到高度(100)取向无铅压电薄膜。其中旋转涂覆9层钛酸铋钠钾溶胶的涂覆每一层所需的时间为18s，涂覆每一层的旋转速度为 5000rpm。对照组的NKBT薄膜的制备方法为:一、向醋酸中加入醋酸钠、醋酸钾、硝酸铋，在70°C下，以300r/min的搅拌速率搅拌30min后，得到E溶液；向乙二醇甲醚和乙酰丙酮的混合溶液中加入钛酸四丁酯，在室温下以300r/min的搅拌速率搅拌15min后，加入甲酰胺溶液，然后以相同的搅拌速率搅拌15min，得到F溶液；将E和F溶液混合，得到E和F的混合溶液，然后加入乙二醇甲醚调整E和F的混合溶液的浓度为0.25M，再以300r/min的搅拌速率搅拌30min，静置24h，得到钛酸铋钠钾溶胶；钛酸铋钠钾溶胶的分子式为(Naa85Kai5)a5Bia5TiO3(NKBT)。其中，E溶液中的醋酸钠与醋酸的质量体积比为0.047g: Iml ;醋酸钾与醋酸的质量体积比为0.0llg: Iml ;硝酸铋与醋酸的质量体积比为0.322g: lml。F溶液所述的乙二醇甲醚与钛酸四丁酯的体积比为4.61: 1 ;乙酰丙酮与钛酸四丁酯的体积比为1:1;甲酰胺与钛酸四丁酯的体积比为0.58: 1。二、在(lll)Pt/Ti/Si02/Si基底上旋转涂覆9层钛酸铋钠钾溶胶，再置于450°C条件下进行热分解，最后置于475°C的快速退火炉中进行退火晶化处理，得到钛酸铋钠钾薄膜(NKBT薄膜)。其中在(lll)Pt/Ti/Si02/Si基底上旋转涂覆9层钛酸铋钠钾溶胶的涂覆每一层所需的时间为18s，涂覆每一层的旋转速度为5000rpm。本试验的醋酸和(lll)Pt/Ti/Si02/Si基底为市售产品，醋酸的质量百分含量为不小于99.5%0对试验组和对照组制备的薄膜进行XRD物相扫描，结果如图1所示，图1为经475°C退火晶化的薄膜的XRD图；其中a为对照组制备的NKBT薄膜的XRD图，b为试验组制备的高度(100)取向无铅压电薄膜的XRD图；通过比较图1中的a和b可以得到:本试验对照组制备的不带有种子层的NKBT薄膜经过475°C的快速退火处理后是非晶的，无任何NKBT衍射峰出现，因此它不具有压电性能，未得到压电常数；而高度(100)取向无铅压电薄膜完全晶化，并呈现高度的(100)取向，显示出相对较好的压电性能，其压电常数达到30pm/v。将本试验的试验组和对照组的退火晶化温度改为700°C，对试验组和对照组制备的薄膜进行XRD物相扫描，结果如图2所示，图2为薄膜经700°C退火晶化后的XRD图；其中a为经700°C退火晶化后对照组的NKBT薄膜的XRD图，b为经700°C退火晶化后试验组的高度(100)取向无铅压电薄膜的XRD图。通过比较图2的a和b发现:对照组不带有种子层的NKBT薄膜经过700°C的快速退火处理后已经晶化，但没有呈现择优取向，其压电常数为64pm/v;试验组带有种子层的高度(100)取向无铅压电薄膜在700°C条件下进行快速退火处理后完全晶化，其衍射峰的强度远远大于对照组不带有种子层的NKBT薄膜，虽其(110)、(211)峰也被观察到，然而仍呈现出良好的(100)取向，其压电常数显著提高到87pm/v。NKBT薄膜的压电常数如表I所示，表I中的NKBT1为对照组制备的NKBT薄膜的压电常数(由于此温度下薄膜未晶化，则未得到压电常数)；NKBT2为试验组制备的高度(100)取向无铅压电薄膜的压电常数，NKBT3为经700°C退火晶化后对照组的NKBT薄膜压电常数，NKBT4为经700°C退火晶化后试验组的高度(100)取向无铅压电薄膜的压电常数。通过比较图1和图2可以得出结论:试验组经过475°C的低温处理得到的高度
(100)取向无铅压电薄膜可完全晶化，并呈现高度的(100)取向，晶化温度与现有方法(Curr.Appl.Phys.2012，12，903-907)制备得到的(Naa85K0.15) 0.5Bi0.5Ti03 薄膜相比降低了225°C，其压电性能相对较好；另外，本发明中在700°C下得到的高度(100)取向无铅压电薄膜的压电常数与上述文献中的无择优取向的同种薄膜相比提高了 12pm/v，此值为近年来报道较高值。表INKBT薄膜的压电常数
权利要求
1.一种低晶化温度下制备高度(100)取向无铅压电薄膜的方法，其特征在于高度取向无铅压电薄膜的制备方法，具体按以下步骤来实现: 一、向醋酸中加入醋酸镧和醋酸钙，在温度为60°C 80°C下，以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min后，得到溶液C，向溶液C中加入乙二醇甲醚，在温度为60V 80°C下，以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min后，进行过滤，冷却至室温，得到溶液D,再向溶液D中加入钛酸四丁酯，以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min后，得到溶胶A ;其中，溶胶A中的醋酸镧与钛酸四丁酯的质量体积比为(0.50 0.55)g: 1ml，醋酸钙与钛酸四丁酯的质量体积比为(0.25 0.30) g: lml，醋酸与钛酸四丁酯的体积比(7.79 10.25): 1，乙二醇甲醚与钛酸四丁酯的体积比(2.87 5.33): I ； 二、向乙二醇甲醚中加入醋酸铅，在温度为60°C 80°C下，以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌IOmin 20min,冷却至室温,然后加入钛酸四丁酯，以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min，得到溶胶B ;其中，溶胶B中醋酸铅与钛酸四丁酯的质量体积比为(1.15 1.26) g: Iml,乙二醇甲醚与钛酸四丁酯的体积比为(2.70 4.50): I ； 三、将溶胶A和溶胶B混合后，得混合溶胶，然后加入乙二醇甲醚调整混合溶胶浓度为0.15M 0.25M,再以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min后，静置20h 28h，得到钛酸铅镧钙溶胶； 四、向醋酸中加入醋酸钠、醋酸钾和硝酸秘,在60°C 80 °C下，以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌20min 40min后，得到E溶液；向乙二醇甲醚和乙酰丙酮的混合溶液中加入钛酸四丁酯，在室温下以200r/min 400r/min的搅拌速率搅拌IOmin 20min后,加入甲酰胺溶液，以相同的搅拌速率搅拌IOmin 20min，得到F溶液；将E和F溶液混合，得到E和F的混合溶液，然后加入乙二醇甲醚调整E和F的混合溶液的浓度为0.2M 0.3M，再以200r/min 400r/min的揽拌速率揽拌20min 40min,静置20h 28h,得到钦酸秘钠钾溶胶；其中，E溶液中的的醋酸钠与醋酸的质量体积比为(0.045 0.049) g: 1ml，醋酸钾与醋酸的质量体积比为(0.009 0.013) g: 1ml，硝酸铋与醋酸的质量体积比(0.320 0.324) g: lml ;F溶液所述乙二醇甲醚与钛酸四丁酯的体积比为(3.46 5.76): 1，乙酰丙酮与钛酸四丁酯的体积比为(0.92 1.15): 1，甲酰胺与钛酸四丁酯的体积比为(0.46 0.69): I ； 五、在(lll)Pt/Ti/Si02/Si基底上首先旋转涂覆一层钛酸铅镧钙溶胶，旋转速度为4500rpm 5500rpm，涂覆时间为15s 20s，然后将其置于温度为425°C 475°C条件下进行热分解，得到种子层薄膜，然后在种子层薄膜上旋转涂覆6 12层钛酸铋钠钾溶胶，再置于425 V 475°C条件下进行热分解，最后置于450°C 500°C的快速退火炉中进行退火晶化处理，即得到高度取向无铅压电薄膜；其中旋转涂覆6 12层钛酸铋钠钾溶胶的涂覆每一层所需的时间为15s 20s，涂覆每一层的旋转速度为4500rpm 5500rpm。
2.根据权利要求1所述的一种低晶化温度下制备高度(100)取向无铅压电薄膜的方法，其特征在于步骤一的溶胶A中的醋酸镧与钛酸四丁酯的质量体积比为0.52g: lml;醋酸钙与钛酸四丁酯的质量体积比为0.27g: 1ml，醋酸与钛酸四丁酯的体积比为9.02: 1，乙二醇甲醚与钛酸四丁酯 的体积比为4.10: I。
3.根据权利要求1所述的一种低晶化温度下制备高度(100)取向无铅压电薄膜的方法，其特征在于步骤二的溶胶B中的醋酸铅与钛酸四丁酯的质量体积比为1.21g: 1ml，乙二醇甲醚与钛酸四丁酯的体积比为3.60: I。
4.根据权利要求1所述的一种低晶化温度下制备高度(100)取向无铅压电薄膜的方法，其特征在于步骤三中加入乙二醇甲醚调整混合溶胶浓度为0.2M。
5.根据权利要求1所述的一种低晶化温度下制备高度(100)取向无铅压电薄膜的方法，其特征在于步骤四中E溶液中的醋酸钠与醋酸的质量体积比分别为0.047g: Iml ；醋酸钾与醋酸的质量体积比分别为0.0llg: Iml ;硝酸铋与醋酸的质量体积比分别为0.322g:1ml0
6.根据权利要求1所述的一种低晶化温度下制备高度(100)取向无铅压电薄膜的方法，其特征在于步骤四中F溶液所述的乙二醇甲醚与钛酸四丁酯的体积比为4.61: I;乙酰丙酮与钛酸四丁酯的体积比为1:1 ;甲酰胺与钛酸四丁酯的体积比为0.58: I。
7.根据权利要求1所述的一种低晶化温度下制备高度(100)取向无铅压电薄膜的方法，其特征在于步骤四中加入乙二醇甲醚调整E和F的混合溶液的浓度为0.25M。
8.根据权利要求1所述的一种低晶化温度下制备高度(100)取向无铅压电薄膜的方法，其特征在于步骤五中在种子层薄膜上旋转涂覆9层钛酸铋钠钾溶胶。
9.根据权利要求1所述的一种低晶化温度下制备高度(100)取向无铅压电薄膜的方法，其特征在于步骤五中的钛酸铅镧钙溶胶和钛酸铋钠钾溶胶的热分解温度都为450°C。
10.根据权利要求1所述的一种低晶化温度下制备高度(100)取向无铅压电薄膜的方法，其特征在于步骤五中 置于475°C的快速退火炉中进行退火晶化处理。
全文摘要
一种低晶化温度下制备高度(100)取向无铅压电薄膜的方法，本发明涉及一种制备无铅压电薄膜的方法。本发明是要解决现有的压电薄膜材料多数含铅量较大及其制备过程中薄膜晶化温度过高、织构度较差、成本高、工艺复杂且不利于大面积Si集成电路应用的问题。本发明方法为一、溶胶A和溶胶B，将溶胶A和B混合，加入乙二醇甲醚，得到钛酸铅镧钙溶胶；四、制备E溶液和F溶液；将E和F溶液混合，加入乙二醇甲醚，得到钛酸铋钠钾溶胶；五、在基底上涂覆一层钛酸铅镧钙溶胶，进行热分解，得到种子层薄膜，然后旋转涂覆钛酸铋钠钾溶胶，再进行热分解，最后进行退火晶化处理，即完成本方法。本发明应用于无铅压电薄膜制备的领域。
文档编号C04B35/472GK103073303SQ201210574508
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者林家齐, 张颖, 朱汉飞, 迟庆国, 杨志韬 申请人:哈尔滨理工大学