專利名稱：鈦酸鍶鋇鐵電薄膜材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明專利涉及到非致冷紅外探測器焦平面陣列(UFPA)敏感元鐵電薄膜材料及其制備方法。
背景技術：
非致冷紅外探測器焦平面陣列代表了凝視陣列熱成像發(fā)展的新途徑，是制備非致冷熱成像儀的關鍵部件。它包含兩個功能部分靈敏元陣列與信號處理電路。非致冷紅外探測器焦平面陣列可在普通規(guī)模的集成電路工藝線上完成，不必依靠投資極其昂貴的超大規(guī)模集成電路(VLSI)制造設備。制備非致冷紅外探測器焦平面陣列的關鍵技術是制備高性能探測靈敏元及其微絕熱結(jié)構(gòu)，而性能優(yōu)良的鐵電薄膜材料能制備高性能的敏感元，保證器件有高的探測率和穩(wěn)定性。
(Ba1-xSrx)TiO3(簡稱BST)是一種典型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)復合材料，它兼有BaTiO3的高介電常數(shù)、低介電損耗和SrTiO3物化穩(wěn)定等特點。該薄膜具有優(yōu)良熱釋電、鐵電、壓電性能和非線性光學效應。因此，近年來利用BST薄膜制備出各種器件，如超大規(guī)模動態(tài)隨機存儲器、高頻旁路集成電容、退耦電容、微波單片集成電路(MMIC)、調(diào)諧微波器件和高性能非致冷紅外探測器焦平面陣列。制備BST薄膜的方法有射頻濺射、有機化學氣相沉積(MOCVD)、脈沖激光沉積(PLD)和溶膠—凝膠(Sol-Gel)方法等。與其它方法比相比，Sol-Gel方法制備薄膜具有獨特的優(yōu)越性1)均勻性好，原材料達到分子級接觸，能保證正確的化學計量比，形成單一結(jié)晶結(jié)構(gòu)；2)易進行微量摻雜改進薄膜性能；3)熱處理溫度低，易與半導體集成電路工藝兼容，可將薄膜與半導體器件集成在同一芯片上，以提高器件的可靠性并提高集成度；4)可廉價制備大面積的高純度薄膜，易于產(chǎn)業(yè)化。然而，要得到實用化的鐵電薄膜仍有一重要問題尚待解決用于作非致冷紅外探測器焦平面陣列靈敏元的BST薄膜，由于厚度較薄(≤2μm)，與體材料比，其總電阻下降，絕緣性變差，即漏電流變大。這將消耗較大比例的熱釋電電流，引入較大的噪聲，干擾紅外輻射信號，導致系統(tǒng)性能的不穩(wěn)定乃至失效。因此，要制備高性能的非致冷紅外探測器焦平面陣列，鐵電薄膜材料除具有優(yōu)良的熱釋電性能外，還必須絕緣性能好，即電阻率要高，漏電流要小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種鈦酸鍶鋇鐵電薄膜材料及其制備方法，其目的是采用Mn作為改性添加物改善(Ba1-xSrx)TiO3(鈦酸鍶鋇，簡稱BST)鐵電薄膜的電性能，以降低漏電流，提高電阻率；并且用改進的SOL-GEL方法制備錳摻雜改性的鈦酸鍶鋇鐵電薄膜材料(MBST)使薄膜材料不僅具有優(yōu)良的熱釋電性，還有高的電阻率，小的漏電流。
本發(fā)明的一種鈦酸鍶鋇鐵電薄膜材料，含有(Ba1-xSrx)TiO3，其中x為0.05-0.04，其特征在于它還含有Mn，1mol(Ba1-xSrx)TiO3的Mn的添加量0.0003-0.02mol。
所述的鈦酸鍶鋇鐵電薄膜材料的制備方法，其步驟依次為(1)按mol比x∶1-x∶1取醋酸鍶Sr(CH3COO)2、醋酸鋇Ba(CH3COO)2和鈦酸四丁酯Ti(OC4H9)4，乙二醇單乙醚HOCH2CH2OC2H5為溶劑邊攪拌邊加熱，成為分布均勻的溶膠，其中x為0.05-0.40；(2)在1mol所述溶膠中加入0.0003-0.02mol的醋酸錳Mn(CH3COO)2·4H2O，同時加入催化劑和添加劑，繼續(xù)攪拌均勻，成為MBST溶膠；(3)在Pt/Ti/SiO2/Si基片上涂覆所述MBST溶膠，形成濕薄膜，在300-500℃熱處理5-10分鐘成為MBST無機薄膜，若薄膜厚度尚未達到要求，可在MBST無機薄膜上再次涂覆所述MBST溶膠，重復本步驟直至達到要求厚度；(4)對達到要求厚度的MBST無機薄膜，在600-800℃快速熱處理5-20分鐘，制成MBST鐵電薄膜。
所述的鈦酸鍶鋇鐵電薄膜材料的制備方法，其進一步的特征在于1mol的MBST溶膠加入700-750ml所述溶劑乙二醇單乙醚HOCH2CH2OC2H5；所述催化劑為冰醋酸CH3COOH、1mol的MBST溶膠加入量為750-800ml；所述添加劑為甲酰胺HCONH2和乙二醇C2H6O2、1mol的MBST溶膠中各取250-300ml。
使用本發(fā)明的材料和方法能得到電阻率高，漏電流小，熱釋性能優(yōu)良的MBST鐵電薄膜，其電阻率比純BST鐵電薄膜高約兩個數(shù)量級；利用該薄膜能制備出高性能非致冷鐵電薄膜紅外探測器焦平面陣列敏感元。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖；圖2表明采用本發(fā)明的方法制備的MBST20鐵電薄膜漏電流密度隨外電場強度變化關系；圖3為采用本發(fā)明的方法所制備的MBST20鐵電薄膜原子力顯微鏡AFM立體和表面形貌照片。
具體實施例方式
1.制備1mol MBST20為例，采用0.80mol Ba(CH3COO)2(醋酸鋇)、0.20molSr(CH3COO)2·1/2H2O(醋酸鍶)、1molTi(OC4H9)4(鈦酸四丁酯)、0.005molMn(CH3COO)2·4H2O(醋酸錳)為原材料，720ml乙二醇單乙醚(HOCH2CH2OC2H5)為溶劑，750ml冰醋酸(CH3COOH)為催化劑，甲酰胺(HCONH2)和乙二醇(C2H6O2)各取250ml為添加劑，按圖1所示流程濕薄膜400℃熱處理8分鐘，MBST無機薄膜700℃快速熱處理12分鐘，制備出MBST20鐵電薄膜，其原子力顯微鏡(AFM)立體和表面形貌照片如圖3所示，電性能為電阻率ρ＝5×1011Ω·cm，熱釋電系數(shù)γ＝1.03×10-7C·cm-2·K-1，介電系數(shù)εr＝300，介電損耗tgδ＝0.01。
2.仍制備1molMBST20，其他同例1，但醋酸錳Mn(CH3COO)2·4H2O添加量為0.0005mol，乙二醇單乙醚HOCH2CH2OC2H5溶劑為700ml，催化劑冰醋酸CH3COOH為780ml，甲酰胺HCONH2和乙二醇C2H6O2各取300ml，按圖1所示流程濕薄膜300℃熱處理10分鐘，MBST無機薄膜800℃快速熱處理5分鐘，制備出MBST20鐵電薄膜。
3.醋酸錳Mn(CH3COO)2·4H2O添加量為0.001mol，乙二醇單乙醚HOCH2CH2OC2H5為720ml，冰醋酸CH3COOH800ml，甲酰胺HCONH2和乙二醇C2H6O2各取280ml，濕薄膜500℃熱處理5分鐘，MBST無機薄膜600℃快速熱處理20分鐘，其他同例1。
4.醋酸錳Mn(CH3COO)2·4H2O添加量為0.01mol，濕薄膜350℃熱處理9分鐘，MBST無機薄膜750℃快速熱處理8分鐘，其他同例3。
按上述四個實施例所制備的MBST20鐵電薄膜漏電流密度隨外電場強度變化關系曲線見圖2。
權(quán)利要求
1.一種鈦酸鍶鋇鐵電薄膜材料，含有(Ba1-xSrx)TiO3，其中x為0.05-0.04，其特征在于它還含有Mn，1mol(Ba1-xSrx)TiO3的Mn的添加量0.0003-0.02mol。
2.權(quán)利要求1所述的鈦酸鍶鋇鐵電薄膜材料的制備方法，其步驟依次為(1)按mol比x∶1-x∶1取醋酸鍶Sr(CH3COO)2、醋酸鋇Ba(CH3COO)2和鈦酸四丁酯Ti(OC4H9)4，乙二醇單乙醚HOCH2CH2OC2H5為溶劑邊攪拌邊加熱，成為分布均勻的溶膠，其中x為0.05-0.40；(2)在1mol所述溶膠中加入0.0003-0.02mol的醋酸錳Mn(CH3COO)2·4H2O，同時加入催化劑和添加劑，繼續(xù)攪拌均勻，成為MBST溶膠；(3)在Pt/Ti/SiO2/Si基片上涂覆所述MBST溶膠，形成濕薄膜，在300-500℃熱處理5-10分鐘成為MBST無機薄膜，若薄膜厚度尚未達到要求，可在MBST無機薄膜上再次涂覆所述MBST溶膠，重復本步驟直至達到要求厚度；(4)對達到要求厚度的MBST無機薄膜，在600-800℃快速熱處理5-20分鐘，制成MBST鐵電薄膜。
3.權(quán)利要求2所述的鈦酸鍶鋇鐵電薄膜材料的制備方法，其特征在于1mol的MBST溶膠加入700-750ml所述溶劑乙二醇單乙醚HOCH2CH2OC2H5；所述催化劑為冰醋酸CH3COOH、1mol的MBST溶膠加入量為750-800ml；所述添加劑為甲酰胺HCONH2和乙二醇C2H6O2、1mol的MBST溶膠中各取250-300ml。
全文摘要
鈦酸鍶鋇鐵電薄膜材料及其制備方法，涉及非致冷紅外探測器焦平面陣列敏感元鐵電薄膜材料及其制備方法，目的是得到具有優(yōu)良的熱釋電性、高電阻率和小的漏電流的薄膜材料。本發(fā)明的一種鈦酸鍶鋇鐵電薄膜材料，1mol(Ba
文檔編號C04B35/622GK1546426SQ20031011153
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月8日
發(fā)明者劉梅冬, 姜勝林, 曾亦可, 鄧傳益, 陳實, 劉少波 申請人:華中科技大學