一种单晶钛酸铅薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种单晶钛酸铅薄膜的制备方法，属于功能材料制备领域。
背景技术
信息时代，微电子器件追求高密度、高速度、低损耗，对器件的集成化和小型化提出高要求，功能薄膜材料的开发成为研究热点。钙钛矿氧化物因其丰富而优异的物理化学性质如铁电性、热释电性、压电性、铁磁性等受到广泛关注，其在高密度信息存储、高灵敏度传感、高频率通信等领域有着极其广阔的应用前景。PbTiO3作为典型的ABO3型钙钛矿氧化物，具有优异的铁电、压电和热释电性能，其单晶体的自发极化强度可以达到75μC/cm2。其热释电系数约为6×108C·cm-2·K-1，是很好的热释电材料。此外钙钛矿PbTiO3的相对介电常数较其他钙钛矿氧化物小，约为149 F·m-1。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本，工艺简单，过程易于控制的单晶钛酸铅薄膜的制备方法，可获得高质量的薄膜表面和异质结界面。
本发明的单晶钛酸铅薄膜的制备方法，包括以下步骤：
1)将矿化剂KOH加入反应釜内胆中，加入去离子水搅拌，获得摩尔浓度为3-6mol/L的KOH溶液；
2)将钛酸四正丁酯(TBOT)加入步骤1)所得溶液中，混合搅拌10-20min，获得的溶液中TBOT的摩尔浓度为0.003-0.04mol/L；
3)将硝酸铅(Pb(NO3)2)溶于去离子水搅拌，调节铅钛摩尔比Pb/Ti＝1-1.25；
4)将步骤3)所得溶液缓慢滴加至2)所得溶液中，强力搅拌至少2h；
5)将SrTiO3基片用Ar等离子体处理之后，垂直置于水热反应架中，分别用丙酮、乙醇、水、乙醇各清洗至少10min后，60℃干燥2h；
6)将步骤5)配制的含反应物溶液和SrTiO3基片的反应釜内胆装入配套反应釜中，密封，在100-200℃下反应2h-24h，然后让反应釜自然冷却至室温，卸釜后，用去离子水和无水乙醇反复洗涤反应产物，过滤，烘干，获得SrTiO3单晶基底上的PbTiO3单晶薄膜。
所述的反应釜为聚四氟乙烯内胆，不锈钢套件密闭的反应釜。
所述的氢氧化钾、钛酸四正丁酯和硝酸铅的纯度都不低于化学纯。
所述的Ar等离子体处理的离子束流能量为3000eV,束流电流密度为50μA/cm2。
所述的SrTiO3基片为立方相单晶的，(100)取向的抛光基片。
所述的水热反应架为聚四氟乙烯材料制成的支架。
上述的方法获得的SrTiO3单晶基底上生长的PbTiO3单晶薄膜，PbTiO3的厚度为100-500nm。
本发明通过简单的水热反应，制备了一种具有高质量表面和界面的PbTiO3单晶薄膜。相比于目前制备钛酸铅薄膜通常采用的PLD，MBE等物理沉积方法，本发明采用的水热法能够在较低温度下合成化学计量比的钛酸铅薄膜。同时，由于反应环境为液相，十分有利于结晶反应的均匀成核和扩散，获得结晶性能良好的产物。本发明以单晶的SrTiO3基片作为载体，制备得到了PbTiO3单晶薄膜。SrTiO3和PbTiO3晶体结构相同，晶胞参数极为接近，PbTiO3的{100}晶面与SrTiO3的{100}晶面的晶格失配仅为0.03％。本发明工艺过程简单，易于控制，无污染，成本低，易于生产。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的SrTiO3(STO)基片上的PbTiO3(PTO)单晶薄膜的X射线衍射(XRD)图谱；
图2是本发明实施例1制备的SrTiO3(STO)基片上的PbTiO3(PTO)单晶薄膜的扫描电子显微镜(SEM)图；
图3是本发明实施例1制备的SrTiO3(STO)基片上的PbTiO3(PTO)单晶薄膜的透射电子显微镜(TEM)图。
具体实施方式
以下结合实例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
1)将矿化剂KOH加入反应釜内胆中，加入20ml去离子水，搅拌5min，获得摩尔浓度为6mol/L的KOH溶液；
2)将钛酸四正丁酯(TBOT)加入步骤1)所得溶液中，混合搅拌20min，获得的溶液中TBOT的摩尔浓度为0.04mol/L；
3)将硝酸铅(Pb(NO3)2)溶于15ml去离子水，调节铅钛摩尔比Pb/Ti＝1.25,搅拌20min；
4)将步骤3)所得溶液缓慢滴加至2)所得溶液中，强力搅拌2h；
5)将SrTiO3基片用Ar等离子体处理之后，垂直置于水热反应架中，分别用丙酮、乙醇、水、乙醇各清洗10min后，60℃干燥2h；
6)将步骤5)配制的含反应物溶液和SrTiO3基片的反应釜内胆装入配套反应釜中，密封，在200℃下反应12h，然后让反应釜自然冷却至室温，卸釜后，用去离子水和无水乙醇反复洗涤反应产物，过滤，烘干，获得SrTiO3单晶基底上的PbTiO3单晶薄膜。
从图1，图2和图3可以看出，PbTiO3为(001)取向的单晶薄膜，具有平整的表面和PTO/STO界面，PTO薄膜厚度约为480nm。
实施例2
1)将矿化剂KOH加入反应釜内胆中，加入20ml去离子水，搅拌5min，获得摩尔浓度为6mol/L的KOH溶液；
2)将钛酸四正丁酯(TBOT)加入步骤1)所得溶液中，混合搅拌20min，获得的溶液中TBOT的摩尔浓度为0.04mol/L；
3)将硝酸铅(Pb(NO3)2)溶于15ml去离子水，调节铅钛摩尔比Pb/Ti＝1.25,搅拌20min；
4)将步骤3)所得溶液缓慢滴加至2)所得溶液中，强力搅拌2h；
5)将SrTiO3基片用Ar等离子体处理之后，垂直置于水热反应架中，分别用丙酮、乙醇、水、乙醇各清洗10min后，60℃干燥2h；
6)将步骤5)配制的含反应物溶液和SrTiO3基片的反应釜内胆装入配套反应釜中，密封，在200℃下反应6h，然后让反应釜自然冷却至室温，卸釜后，用去离子水和无水乙醇反复洗涤反应产物，过滤，烘干，获得SrTiO3单晶基底上的PbTiO3单晶薄膜。
实施例3
1)将矿化剂KOH加入反应釜内胆中，加入20ml去离子水，搅拌5min，获得摩尔浓度为6mol/L的KOH溶液；
2)将钛酸四正丁酯(TBOT)加入步骤1)所得溶液中，混合搅拌20min，获得的溶液中TBOT的摩尔浓度为0.02mol/L；
3)将硝酸铅(Pb(NO3)2)溶于15ml去离子水，调节铅钛摩尔比Pb/Ti＝1.25,搅拌20min；
4)将步骤3)所得溶液缓慢滴加至2)所得溶液中，强力搅拌2h；
5)将SrTiO3基片用Ar等离子体处理之后，垂直置于水热反应架中，分别用丙酮、乙醇、水、乙醇各清洗10min后，60℃干燥2h；
6)将步骤5)配制的含反应物溶液和SrTiO3基片的反应釜内胆装入配套反应釜中，密封，在200℃下反应12h，然后让反应釜自然冷却至室温，卸釜后，用去离子水和无水乙醇反复洗涤反应产物，过滤，烘干，获得SrTiO3单晶基底上的PbTiO3单晶薄膜。
