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钙钛矿结构的铁电材料钛酸锶钡BaxSr1-xTiO3是一种重要的电子陶瓷材料,它是SrTiO3和BaTiO3的x在0~1整个范围内的固溶体,不但具有SrTiO3的物化稳定性和半导体性能,而且还具有BaTiO3的高介电常数、低介电损耗性能,两种材料固溶后就形成了优越的铁电、压电、热释电性能。BaxSr1-xTiO3薄膜材料的应用范围很广,在微型电容器、超大规模动态随机存储器、微波单片集成电路、热敏电阻、调谐微波器件等领域得到了很广泛的应用。
本论文选择了一种新型的薄膜材料制备方法——液相自组装技术,能够在较低温度的条件下将导电玻璃基片浸入前驱溶液中沉积纳米BaxSr1-xTiO3薄膜。这种方法把自组装单分子膜技术与液相沉积技术相结合,发挥了各自的优点,同时在实验进程中采用了紫外光照射技术与接触角理论来研究基片前期处理过程的变化情况。在导电玻璃基片表面成功制备了与基片结合紧密、形貌均匀致密的SrTiO3功能陶瓷薄膜,通过Ba元素A位掺杂沉积出BaxSr1-xTiO3纳米晶体薄膜,并对所制备的薄膜进行了性能的测试分析。
通过分析基片前期处理过程中紫外光照射对基片表面的影响及变化,采用接触角测试仪、傅立叶变换红外光谱分析和X射线光电子能谱分析等测试手段,探讨研究出紫外光照射对基片的清洁作用。结果表明,随着紫外光照射时间的延长,清洗干净的基片表面发生了化学变化,高能量的紫外光将Si-O-Si断裂重组生成了亲水基团Si-OH,使得接触角逐渐减小,在20min后接触角小于5°,基片表面润湿性良好,达到完全亲水的原子级清洁状态。将原子级清洁的基片浸入到1vol%的OTS-甲苯溶液中进行OTS单分子膜的自组装过程,通过接触角测试仪、傅立叶变换红外光谱测试、X射线光电子能谱测试和原子力显微镜测试等方法分析出OTS单分子膜在基片表面的自组装生长机理。研究表明,随着OTS溶液浸泡时间的延长,基片表面的-OH与水解后的OTS单分子链中的-OH发生脱水缩合,同时相邻的OTS单分子-OH也发生缩合,形成二维的单分子膜层,单分子链端的-CH3为疏水基团,导致基片的接触角逐渐增大,在30min后达到最大值109°44′,表明基片表面的OTS单分子膜层已经组装完全。对经过OTS自组装单分子膜沉积的基片进行第二次紫外光照射,采用接触角测试仪、傅立叶变换红外光谱、X射线光电子能谱和原子力显微镜等测试手段研究紫外光照射对OTS单分子层的改性机理,分析表明,随着紫外光照射时间的延长,OTS单分子链被高能量的紫外光切断形成亲水基团链端羟基,接触角逐渐变小,到40min时已经小于5°,表现为完全亲水。
本实验对薄膜的制备工艺进行了系统的研究,通过X射线衍射仪、扫描电镜和X射线光电子能谱等测试手段分析了前驱溶液的pH值、沉积温度、沉积时间和退火温度对薄膜的影响,研究结果表明:制备SrTiO3薄膜的前驱溶液的pH值为3.0,沉积温度50℃,沉积时间为8h时可以沉积出表面平整光滑,结构致密均一的非晶态薄膜,经过600℃退火2h后非晶态薄膜的结晶性良好;通过掺杂不同比例的Ba元素制备BaSr1-xTiO3薄膜,XRD谱图中SrTiO3的特征峰随着Ba含量的增加发生了明显的偏移,同时扫描电镜图中的晶粒尺寸变大,能谱分析中出现了Ba元素的特征峰,表明Ba元素掺杂成功,沉积了BaxSr1-xTiO3薄膜。
对所沉积的SrTiO3薄膜和BaxSr1-xTiO3薄膜进行电性能研究,采用美国安捷伦E4980A精密LCR测试仪对经过退火晶化的BaxSr1-xTiO3薄膜进行电性能测试。介电常数随着频率的升高而降低,介电损耗随频率的升高而增大,纯相的SrTiO3薄膜与BaxSr1-xTiO3薄膜相比,介电损耗较大,介电常数较小。Sr/Ba比为8/2的BaxSr1-xTiO3薄膜最大的介电常数达到928。