专利名称：一种短波紫外光辐照预处理制备铁酸铋功能薄膜的方法
技术领域：
本发明属于功能材料领域，涉及一种短波紫外光辐照预处理制备铁酸铋功能薄膜的方法。
背景技术：
近年来，一种新型的铁磁电材料BiFeO3，作为少数室温下同时具有铁电性和磁性的单相铁磁电材料之一，引起了人们极大的兴趣。BiFeO3具有三方扭曲的钙钛矿结构高的居里温度(Tc = 810V )和尼尔温度(Tn = 3800C )，电磁耦合作用在信息存储、自旋电子器件方面，磁传感器以及电容-电感一体化器件等方面都有着极其重要的应用前景。目前对于BiFeO3薄膜的制备方法主要有脉冲激光沉积法、磁控溅射法等。脉冲激光沉积法其优点是可降低基底温度，能保持较好的化学计量比，薄膜质量好(密度高)、附着性能强，适于生长复杂组份的薄膜，需解决主要问题是如何获得大面积均匀薄膜。溅射法可以大面积成膜，且薄膜质量高，但生长速度慢，薄膜的微结构与组成均匀性有持改善。以上这些制备工艺设备较为复杂、需要严格的真空环境和工艺制度、成本昂贵，而且往往含有的少量杂质难以去除而得不到纯相，如Bi2Fe4O9和Bi25FeO4tlt5化学液相沉积方法是一种湿化学方法，它不需要昂贵设备，适于大面积制备薄膜，广泛应用于合成各种功能材料，并且取得了巨大的成功。自组装单层膜(self-assembled monolayers)技术(简称SAMs技术)是仿生合成工艺的核心技术，它是通过表面活性剂的活性头基与基底之间产生化学吸附，在界面上自发形成有序的分子组装层。对于自组装技术制备铁酸铋薄膜，由于SAMs是有机分子在溶液中(或者有机分子蒸汽)自发通过化学键牢固地吸附在固体基底上所形成的超薄有机膜，因此它具有原位自发形成、成键高度有序排列、缺陷少、结合力强等特点。但同时也由于 SAMs是有机膜，有机物的去除在制备薄膜的过程中是一个难题。目前对于自组装法制备铁酸铋薄膜，都采用的是高温分解有机物，由于高温下分解有机物时薄膜收缩过大，使得所制备的薄膜会产生裂纹。本发明以自组装十八烷基三氯硅烷(OTS)单层膜为模板，利用短波紫外光(λ = 184. 9nm)照射仪对OTS-SAMs进行表面改性，结合液相沉积法，利用反向吸附技术制备出铁酸铋薄膜，并在薄膜退火前于室温下进行短波紫外光(λ = 184. 9nm)处理，使有机物十八烷基三氯硅烷(OTS)单层膜、冰醋酸、柠檬酸的大分子转化为CH3-等小分子，然后退火制备晶态铁酸铋薄膜。这不仅对这种新型的液相自组装方法制备铁酸铋薄膜的技术是一种突破性的进展，而且由于短波紫外光(λ = 184. 9nm)处理去除有机物是在室温下进行，薄膜收缩很小，使得通过短波紫外光(λ = 184. 9nm)处理的采用液相自组装法制备铁酸铋薄膜表面平整致密且没有裂纹，这对研究其介电性和多铁性也有指导意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种短波紫外光辐照预处理制备铁酸铋功能薄膜的方法，利用液相自组装单层膜技术结合退火前的短波紫外光(λ = 184. 9nm)处理再进行退火制备出表面平整致密且没有裂纹的铁酸铋功能薄膜。为实现上述目的，本发明提供了一种短波紫外光辐照预处理制备铁酸铋功能薄膜的方法，以Bi(NO3)3 · 5H20、Fe (NO3)3 · 9H20为原料，连同冰醋酸一起溶于蒸馏水中，然后加入络合剂柠檬酸，得到前驱液，其中，在前驱液中，铋离子浓度为O. 01mol/L，铁离子浓度为
O.01 O. 045mol/L，冰醋酸的体积分数为2%，柠檬酸浓度为O. 02mol/L ;以功能化自组装单层膜为模板，在60 90°C下将模板悬浮于前驱液表面反向吸附制备薄膜，接着，将薄膜在室温下干燥后进行紫外光照射或者在300°C退火30min，以去除薄膜表面残留的有机物， 最后，在550°C保温退火即可。作为本发明的优选实施例，所述功能化自组装单层膜的制备方法为首先将基板洗涤干净，然后在紫外光下照射20min，接着，于OTS-甲苯溶液中浸泡30min即可，其中， OTS-甲苯溶液中，OTS的体积分数为1%，最后，在120°C干燥后再于紫外光下照射40min ；作为本发明的优选实施例，所述模板悬浮于前驱液表面的沉积时间为6 30h ;作为本发明的优选实施例，所述铁酸铋功能薄膜厚度为40nm ；作为本发明的优选实施例，将所述薄膜在室温下干燥后进行紫外光照射以去除薄膜表面残留的有机物时，所述紫外光的波长为184. 9nm。本发明一种短波紫外光辐照预处理制备铁酸铋功能薄膜的方法至少具有以下优点本发明结合液相自组装反向吸附技术，进行紫外光处理非晶态铁酸铋薄膜，通过短波紫外光(λ = 184. 9nm)照射空气产生的臭氧将有机物链氧化，以达到快速温和去除有机物的目的。且由于是在室温去除有机物，薄膜的收缩非常小，防止了在高温下分解有机物时薄膜收缩过大而产生裂纹。通过短波紫外光(λ = 184. 9nm)处理后的薄膜表面致密平整，没有裂纹。此外，本发明工艺简单，实验条件要求低，得到的铁酸铋薄膜均匀致密、晶粒连接贯通且没有裂纹。
图I是经短波紫外光(λ = 184. 9nm)处理后的铁酸铋薄膜的SEM图；图2是未经短波紫外光(λ = 184. 9nm)处理、在高温下分解有机物的铁酸铋薄膜的SEM图；图3是经短波紫外光(λ = 184. 9nm)处理后的铁酸铋薄膜的断面SEM图。
具体实施例方式下面结合具体实施例及附图对本发明短波紫外光辐照预处理制备铁酸铋功能薄膜的方法做进一步详细描述实施例I步骤一前驱液的配置。称取Bi (NO3)3 · 5H20、Fe (NO3) 3 · 9H20，量取冰醋酸，溶于蒸馏水配置成200ml的溶液。室温搅拌至完全澄清，加入柠檬酸，继续室温搅拌直至溶液澄清，即得前驱液，在该前驱液中，所述铋离子浓度为O. 01mol/L，铁离子浓度为O. 045mol/L, 柠檬酸浓度为O. 02mol/L，冰醋酸的体积份数为2%。步骤二 基板的功能化。将基片分别置于去离子水、丙酮、无水乙醇中超声洗涤IOmin0于紫外光下照射20min后，于0TS(lvol% )-甲苯溶液中浸泡30min制备OTS单层膜，于120°C干燥5min以去除有机物。最后于紫外光下照射40min，得到功能化的基板。步骤三薄膜的沉积。将基板功能化的一面朝下悬浮于步骤一制备的前驱液表面， 在60°C 90°C沉积6h 30h制备出非晶态薄膜。步骤四紫外光处理。将所制备的非晶态薄膜于室温干燥后进行紫外光处理 20min 60min,放置于紫外光照射时,通过紫外光照射空气所产生的臭氧氧化有机物链, 以去除有机物。步骤五薄膜的晶化。将步骤四处理过后的薄膜于550°C保温退火IOmin 120min
得到晶化的薄膜。步骤六薄膜的表征。用SEM表征薄膜的表面和断面形貌。实施例2步骤一前驱液的配置。称取Bi (NO3) 3 · 5H20、Fe (NO3) 3 · 9H20,量取冰醋酸，溶于蒸馏水配置成200ml的溶液。室温搅拌至完全澄清，加入柠檬酸，继续室温搅拌直至溶液澄清，即得前驱液，在该前驱液中，所述铋离子浓度为O. 01mol/L，铁离子浓度为O. 01mol/L, 柠檬酸浓度为O. 02mol/L，冰醋酸的体积份数为2%。步骤二 基板的功能化。将基片分别置于去离子水、丙酮、无水乙醇中超声洗涤 IOmin0于紫外光下照射20min后，于0TS(lvol% )-甲苯溶液中浸泡30min制备OTS单层膜，于120°C干燥5min以去除有机物。最后于紫外光下照射40min，得到功能化的基板。步骤三薄膜的沉积。将基板功能化的一面朝下悬浮于溶液表面，在60°C 90°C 沉积6h 30h制备出非晶态薄膜。步骤四高温分解有机物。将所制备的非晶态薄膜于室温干燥后于300°C保温 30min以去除有机物。步骤五薄膜的晶化。将经高温分解有机物的薄膜于550°C保温退火IOmin 120min得到晶化的薄膜。步骤六薄膜的表征。用SEM表征薄膜的表面形貌。以SEM测定薄膜的表面和断面形貌，其结果如图I和3所示。从中可知，用短波紫外光(λ = 184. 9nm)辐照预处理制备铁酸铋功能薄膜的方法得到的薄膜均匀致密均匀，且没有裂纹，晶粒尺寸约为100 300nm。以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
权利要求
1.一种短波紫外光辐照预处理制备铁酸铋功能薄膜的方法，其特征在于以 Bi(NO3)3 · 5H20、Fe (NO3)3 · 9H20为原料，连同冰醋酸一起溶于蒸馏水中，然后加入络合剂柠檬酸，得到前驱液，其中，在前驱液中，铋离子浓度为O. 01mol/L，铁离子浓度为0.01 O.045mol/L，冰醋酸的体积分数为2 %，柠檬酸浓度为O. 02mol/L ;以功能化自组装单层膜为模板，在60 90°C下将模板悬浮于前驱液表面反向吸附制备薄膜，接着，将薄膜在室温下干燥后进行紫外光照射或者在300°C退火30min，以去除薄膜表面残留的有机物，最后， 在550°C保温退火即可。
2.如权利要求I所述的一种短波紫外光辐照预处理制备铁酸铋功能薄膜的方法，其特征在于所述功能化自组装单层膜的制备方法为首先将基板洗涤干净，然后在紫外光下照射20min，接着，于OTS-甲苯溶液中浸泡30min即可，其中，OTS-甲苯溶液中，OTS的体积分数为1%，最后，在120°C干燥后再于紫外光下照射40min。
3.如权利要求I或2所述的一种短波紫外光辐照预处理制备铁酸铋功能薄膜的方法， 其特征在于所述模板悬浮于前驱液表面的沉积时间为6 30h。
4.如权利要求I或2所述的一种短波紫外光辐照预处理制备铁酸铋功能薄膜的方法， 其特征在于所述铁酸铋功能薄膜厚度为40nm。
5.如权利要求I所述的一种短波紫外光辐照预处理制备铁酸铋功能薄膜的方法，其特征在于将所述薄膜在室温下干燥后进行紫外光照射以去除薄膜表面残留的有机物时，所述紫外光的波长为184. 9nm。
6.一种短波紫外光辐照预处理制备铁酸铋功能薄膜的方法，其特征在于包括以下步骤步骤一前驱液的配置称取Bi (NO3) 3 · 5H20、Fe (NO3) 3 · 9H20,量取冰醋酸，溶于蒸馏水配置成200ml的溶液，室温搅拌至完全澄清，加入柠檬酸，继续室温搅拌直至溶液澄清，即得前驱液，在该前驱液中，所述铋离子浓度为O. 01mol/L，铁离子浓度为O. 01 O. 045mol/ L，柠檬酸浓度为O. 02mol/L，冰醋酸的体积分数为2% ；步骤二 基板的功能化将基片分别置于去离子水、丙酮、无水乙醇中超声洗涤lOmin， 于紫外光下照射20min后，于OTS-甲苯溶液中浸泡30min制备OTS单层膜，然后于120°C干燥5min以去除有机物，最后于紫外光下照射40min，得到功能化的基板，其中，OTS-甲苯溶液中，OTS的体积分数为1% ；步骤三薄膜的沉积将基板功能化的一面朝下悬浮于前驱液表面，在60°C 90°C沉积6h 30h制备出非晶态薄膜；步骤四将所制备的非晶态薄膜于室温干燥后进行紫外光处理20min 60min或于 300°C保温30min，其中，紫外光的波长为184. 9nm ；步骤五薄膜的晶化将紫外光处理过后的薄膜于550°C保温退火IOmin 120min得到晶化的薄膜。
全文摘要
本发明提供了一种短波紫外光辐照预处理制备铁酸铋功能薄膜的方法，以Bi(NO3)3·5H2O、Fe(NO3)3·9H2O为原料溶于蒸馏水中，以冰醋酸调节溶液pH值，以柠檬酸为络合剂，以功能化自组装单层膜为模板，将功能化基板悬浮于溶液表面反向吸附制备薄膜，在室温干燥后进行短波紫外光(λ＝184.9nm)下处理，最后在550℃保温退火制备出晶化的铁酸铋功能薄膜。本发明结合液相自组装反向吸附技术，进行紫外光处理非晶态铁酸铋薄膜，通过短波紫外光照射空气产生的臭氧将有机物链氧化，以去除有机物的目的。且由于是在室温去除有机物，薄膜的收缩非常小，防止了在高温下分解有机物时薄膜收缩过大而产生裂纹。
文档编号C01G49/00GK102583568SQ20121003385
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月16日 优先权日2012年2月16日
发明者尹君, 谈国强 申请人:陕西科技大学