[发明专利]一种微弧氧化制备钛酸锶钡介电薄膜及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子工程技术领域，具体是一种微弧氧化制备钛酸锶钡介电薄膜及其方法。

背景技术

当今世界对电子元器件小型化、高性能的要求以及薄膜制备技术的发展，介电薄膜材料应运而生。Ba_xSr_1-xTiO₃（x=0~1）介电薄膜具有较高的介电常数和较低的介质损耗，是非常理想的高压陶瓷电容器制备材料，被誉为“电子工业的支柱”。目前用于制备钛酸盐系介电薄膜的技术较多，主要包括脉冲激光沉积法、磁控溅射沉积法、溶胶-凝胶法、金属有机物化学气相沉积法等，这些方法虽然各有优点和特色，但存在着各自的局限性。脉冲激光沉积法虽可制备的薄膜种类多且成分易控制，但成膜面积小；磁控溅射法可制备的薄膜与基体结合良好，但薄膜生长速度慢且难以大面积成膜；溶胶-凝胶法具有易于搀杂改性，成本低，成膜面积大等优点，但工序比较繁琐且随后的热处理容易导致薄膜表面微裂纹；金属有机物化学气相沉积法具有可快速制备大面积薄膜、能精确控制薄膜化学组分和厚度的优点，但其局限性在于原材料的稳定性差。这些都制约着介电薄膜的进一步发展和应用。我国介电薄膜的制备技术与国际先进工艺差距明显，因此开发出合适的制备钛酸盐系介电薄膜的技术极为重要。微弧氧化技术是一种直接在有色金属表面原位生长陶瓷膜的新技术，具有快速、高效，低成本的特点；适于制备大尺寸和复杂外形的介电薄膜，处理过程温度低（甚至室温），且无需气氛控制。采用微弧氧化技术在钛基体表面原位生长介电薄膜，是一种制备工艺上的创新，具有良好的工业化生产前景。

目前对采用微弧氧化技术在钛金属表面制备介电薄膜的研究较少，申请号为200610155879.2的专利中描述了在钛金属表面制备BaTiO₃掺杂金属离子介电薄膜的方法，然而并未公开其性能参数，制备的薄膜种类也较单一。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种微弧氧化制备钛酸锶钡

Ba_xSr_1-xTiO₃（x=0~1）介电薄膜及其方法，本发明方法工序简单、成膜速度快，生成的薄膜具有优异的介电性能。

本发明的目的可通过如下技术方案实现：

一种在钛金属表面原位生长介电薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(1) 配置电解液：电解液采用乙酸钡或乙酸锶或两者的混合液，其中乙酸钡溶液的摩尔浓度为0~2.0mol/L，乙酸锶溶液的摩尔浓度为0~1.2mol/L；所述电解液在电磁加热搅拌器上搅拌，溶质完全溶解即可；

(2) 设置微弧氧化电源电参数：采用直流脉冲电源，脉冲波形为方波，模式为恒电流模式；电流密度为10~50A/dm²，脉冲频率为50~250Hz，占空比为60%~95%；处理时间为6~60min；

(3) 微弧氧化：将钛金属基体连接到阳极，浸没于上述电解液中进行微弧氧化，反应过程中控制电解液温度保持在50～60℃之间；反应后，取下钛金属，用蒸馏水冲洗后，再在蒸馏水中浸泡1～2小时，烘干，即可制得所需钛酸锶钡介电薄膜。

所述步骤(3)中的钛金属基体在微弧氧化前还需进行如下步骤：将钛金属表面用砂纸打磨后，置于按体积比为1:3混合的氢氟酸和硝酸混合液中进行预处理，然后分别在丙酮和蒸馏水中清洗，吹干备用。

所述钛金属基体中钛元素的重量百分比大于95%。

所述步骤(3) 微弧氧化过程中电解液温度控制过程为：用温度计实时测量电解液温度，当溶液温度超过50℃后，启动压力泵，将冷水注入恒温槽，同时将热水排出，从而保证电解液温度控制在50～60℃之间。

所述步骤(1) 中电解液在电磁加热搅拌器上搅拌时，加热温度控制为60℃，搅拌时间为10~60min，溶质完全溶解即可。

当所述步骤(1) 中电解液仅为乙酸钡溶液时，则生成的介电薄膜为钛酸钡；所述步骤(1) 中电解液仅为乙酸锶溶液时，则生成的介电薄膜为钛酸锶；所述步骤(1) 中电解液为乙酸钡和乙酸锶按摩尔比1:1混合时，则生成的介电薄膜为钛酸锶钡，并且钡、锶原子比为0.5:0.5；所述步骤(1) 中电解液为乙酸钡和乙酸锶按摩尔比3:1混合时，则生成的介电薄膜为钛酸锶钡，并且钡、锶原子比为0.77:0.23；所述步骤(1) 中电解液为乙酸钡和乙酸锶按摩尔比3:2混合时，则生成的介电薄膜为钛酸锶钡，并且钡、锶原子比为0.6:0.4。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：