©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net应用电泳沉积技术制备钛酸钡铁电陶瓷薄膜马亚鲁1孙小兵2王彦起3李建林1(1天津大学理学院化学系,天津300072;2天津天士力集团,天津300142;3唐山市碳化硅厂,唐山063000)摘要采用电泳沉积技术在Pt电极基片上制备BaTiO3铁电陶瓷薄膜。探讨了电泳沉积过程中的控制因素(悬浮液体系、电场强度、料浆浓度、沉积时间等)对成膜性能的影响,并对薄膜材料的结构、性能进行了表征。实验结果表明:在1050℃(2h)的烧成温度下,经重复沉积—烧结2～3次可得到基本无缺陷的BaTiO3陶瓷薄膜。测量频率在1kHz时,室温(23℃)下的介电常数ε=2300,介电损耗tanδ=012。关键词电泳沉积技术BaTiO3铁电薄膜介电性能作者简介:马亚鲁(1968～),女,博士,副教授1主要从事无机材料的研究工作.钛酸钡铁电薄膜材料具有介电性和铁电开关效应,因而在电容器和热敏电阻等功能器件上得到广泛应用。随着薄膜制备技术的发展,现制备钛酸钡铁电薄膜的方法有溅射法[1]、真空蒸镀法[2]、电化学法[3]、溶胶2凝胶法[4]和激光沉积法[5]等等。上述这些方法或者设备复杂,制备成本高,或者由于制备过程中需经高温处理,从而造成薄膜与基底材料间的反应或热失配,使薄膜质量难以保证,不适于大规模制备而在应用上受到限制。电泳沉积法利用电泳动现象,在外加电场的作用下,胶体粒子在分散介质中作定向移动;达到电极基材后发生聚沉而形成较密集的微团结构的过程。电泳沉积法用于制备薄膜材料源于20世纪50年代[6]。由于该方法存在以下优点:(1)设备简单,成本低;(2)成膜快,适宜大规模制膜;(3)被镀件的形状不受限制,薄膜厚度均匀;(4)电泳沉积时料液可循环利用,无污染物排出。因而已广泛用于传统陶瓷、高技术陶瓷、生物陶瓷、超导材料及薄膜的制备技术中。本研究工作将采用电泳沉积技术在铂电极上制备成型钛酸钡薄膜,并经适当热处理制备出高电容的铁电薄膜材料。探讨电泳沉积过程中的控制因素(悬浮液体系、电场强度、悬浮液中粉末的浓度、沉积时间等)对成膜性能的影响,并对所制备的铁电薄膜材料进行结构和性能的表征。1实验部分采用溶胶—凝胶法制备的BaTiO3超细粉末为起始原料,具体制备过程参见文献[7]。TEM观察粉末粒径在50～100nm之间。XRD分析表明为立方相BaTiO3组成。电泳沉积过程如图1所示。选取2种不同的BaTio3悬浮溶液体系,电极材料为铂片,其厚度约为0.3mm,纯度为99.99%。铂片经金刚砂磨光并在丙酮溶液中超声洗净。铂阴极和阳极间的距离为2cm,电极间电压可在0～1000V之间进行有1电磁搅拌器2冰水冷浴3电泳槽4Pt片阴极5Pt片阳极6毫安表7伏特表0～1000可控直流稳压电源图1电泳沉积实验装置的示意图31硅酸盐通报2002年第6期专题论文©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net效调节。将所选取的悬浮液体系和一定含量Ba2TiO3粉末经适当时间的超声振荡,分散均匀后在冰水冷浴中进行电泳操作。电泳完毕后制备的BaTiO3薄膜经自然干燥后于1050℃,2h进行烧结,制备得到致密、具有较好介电性能的BaTiO3铁电薄膜材料。利用日本RIGAKUD/MAXⅢB型X射线衍射仪分析粉末和薄膜材料的相组成,利用JEOLCX100Ⅱ型透射电子显微镜对粉末的形貌和粒径进行观察。利用HP2XL30E扫描电子显微镜对薄膜的微观结构(表面形貌及厚度等)进行观察。利用HP24192型低频阻抗分析仪测定样品的介电性能。2结果与讨论2.1电泳沉积过程中控制参数的影响2.1.1BaTiO3粉末悬浮溶液体系的选取电泳沉积方法是通过在直流电场作用下使稳定悬浮体系中的胶体粒子作定向运动来实现的。对于BaTiO3粉末而言,选取一种合适的悬浮介质很重要。据报道有3种有机溶剂体系对悬浮Ba2TiO3粉末很有效:二甘醇二甲基乙醚,12硝基丙烷和吡啶,然而这些溶液都是有毒的。为克服以上溶剂在使用过程中的缺点,我们选取了2种不同的溶液体系,即丙酮+碘+水混合体系和乙酰丙酮+乙醇混合体系作为分散悬浮溶液,2种体系的作用机理不尽相同,但都可产生自由质子而使BaTiO3微粒吸附自由质子而带上正电荷,这可通过BaTiO3颗粒向阴极泳动沉积而证实。对于丙酮+碘+水体系而言,丙酮中添加...
