多晶衬底上无铅钛酸盐铁电薄膜的取向生长机理及性能研究

本项目以高取向二维纳米钛酸单片为前驱体，将电泳沉积和水热/溶剂热法结合起来，并辅以溶胶－凝胶法，在多晶衬底上制备出高取向(BaxSr1-x)TiO3和Na0.5Bi0.5TiO3薄膜。研究电泳沉积过程中二维纳米钛酸单片的取向组装机制，制备出高取向前驱体钛酸薄膜；研究在水热/溶剂热条件下，取向钛酸盐薄膜的形成机理，合成出不同取向钛酸盐薄膜；研究薄膜的各种电性能，揭示薄膜取向、结构与性能之间的内在联系。本项目研究成果将为在多晶衬底上制备高取向钛酸盐铁电薄膜提供理论指导，对实现铁电薄膜器件的小型化和集成化具有重要的科学意义和实用价值。

取向无铅钛酸盐铁电薄膜在机械、电子、精密控制等领域有着广泛的应用。但取向薄膜常用的制备方法为射频磁控溅射法、金属有机化学气相沉积法、脉冲激光沉积法及溶胶－凝胶法。这些方法大都需要价格昂贵的具有特定取向的单晶为衬底，这不仅造成了工艺的复杂化，也限制了薄膜性能的充分发挥。本项目以高取向二维纳米钛酸单片为前驱体，将电泳沉积和水热法结合起来，在多晶衬底上制备高取向Na0.5Bi0.5TiO3和BaTiO3薄膜。研究了电泳沉积过程，悬浮液、溶剂、电极电势、沉积温度和沉积时间等工艺参数对钛酸薄膜组织结构的影响，揭示了二维纳米钛酸单片的组装机制；研究了水热过程，反应温度、反应时间和矿化剂等对钛酸盐薄膜物相和组织结构的影响，揭示了取向钛酸盐薄膜的形成机理。得到如下主要研究结果：（1）钛酸悬浮液通过离心去除未解离的钛酸颗粒， pH值控制在9~11左右，并静置2个月后，去除底部沉淀即可获得高分散、稳定的钛酸纳米片悬浮液；（2）采用以下工艺参数：溶剂H2O:EtOH =1：1（V:V），钛酸纳米片浓度0.006 mol/L，电极电势1.2~1.5V，沉积温度≤60°C，经电泳沉积可在阳极上获得良好的钛酸薄膜，表面均匀、平整、致密，悬浮液中的二维纳米钛酸单片Ti1-xO24x-在电场的作用下会沉积在阳极的表面上，并铺展开来，层层堆叠，因此，钛酸薄膜具有（0k0）取向，膜层厚度随沉积时间的延长而增厚，它们之间开始呈线性增长关系，而后遵循t1/2—h指数增长；（3）将高取向（0k0）钛酸薄膜在200°C进行水热反应10~12h可制备出具有高(110)晶面取向的Na0.5Bi0.5TiO3和BaTiO3薄膜，(110)面取向度达到99%左右，Na0.5Bi0.5TiO3薄膜由紧密排列的立方晶粒组成，而BaTiO3薄膜表面光滑、平整，无裂纹。钛酸纳米片和Na0.5Bi0.5TiO3、BaTiO3在晶体结构上具有相似性，因此，可诱导Na0.5Bi0.5TiO3、BaTiO3晶粒的取向生长。以上成果为在多晶衬底上制备高取向钛酸盐铁电薄膜，实现铁电薄膜器件的小型化和集成化具有重要的科学意义和实用价值。