專利名稱：尺寸可控的納米級(jí)銀顆粒鑲嵌在鈦酸鋇薄膜中的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米級(jí)銀顆粒均勻鑲嵌在鈦酸鋇薄膜中的制備方法。
鈦酸鋇薄膜是一類特殊的電介質(zhì)薄膜材料，它通常具有很高的介電常數(shù)，同時(shí)還具有鐵電、壓電、熱釋電和電光耦合等特性。特別是近年來鈦酸鋇薄膜的制備技術(shù)可與大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路技術(shù)相兼容，開發(fā)研究集半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路與鈦酸鋇薄膜的鐵電、壓電、電光和非線性光學(xué)諸功能于一體的多功能集成化器件更具有誘人的前景。最近，研究人員發(fā)現(xiàn)在鈦酸鋇薄膜中摻入0.1％摩爾左右的二價(jià)金屬離子，可使鈦酸鋇薄膜具有半導(dǎo)體特性。這使得對(duì)鈦酸鋇薄膜的研究、開發(fā)和利用成為當(dāng)今最熱門的方向之一。
鈦酸鋇薄膜的制備方法主要有以下幾種(1)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法，(2)射頻磁控濺射法，(3)激光削磨法，(4)溶膠－凝膠法。到目前為止，采用射頻磁控濺射法制備的鈦酸鋇薄膜多以單一相為主。既使摻雜少量金屬離子，也是金屬離子進(jìn)入到鈦酸鋇的晶格中，而并未實(shí)現(xiàn)金屬和鈦酸鋇兩相共存的狀態(tài)。
本發(fā)明的目的是提供一種用射頻磁控共濺射的方法，制備出尺寸可控的納米級(jí)銀顆粒均勻鑲嵌在非晶或多晶的鈦酸鋇薄膜中。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的采用銀和鈦酸鋇的復(fù)合靶，在氬氣壓為2×10-2托，濺射功率范圍為100～150瓦的條件下進(jìn)行濺射?；卓刹捎脪伖獾墓鑶尉⑹⒐鈱W(xué)玻璃片及新解理的氯化鈉單晶片。濺射其間基底不加熱，可得到納米級(jí)銀顆粒均勻鑲嵌在非晶鈦酸鋇中的復(fù)合薄膜。對(duì)此薄膜進(jìn)行退火處理使非晶鈦酸鋇晶化，可得到納米級(jí)銀顆粒鑲嵌在多晶鈦酸鋇中的復(fù)合薄膜。通過調(diào)整復(fù)合靶上銀片所占面積，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合膜中銀顆粒數(shù)量及尺寸的控制，銀顆粒平均粒徑變化范圍為8～70納米。
下面詳細(xì)敘述本發(fā)明步驟一、復(fù)合靶的制備以碳酸鋇和二氧化鈦為原料，以1∶1的摩爾比稱取兩種原料，按照傳統(tǒng)的陶瓷燒結(jié)工藝，制得密度高于96％的鈦酸鋇陶瓷片；用銀膠將尺寸相同、個(gè)數(shù)不等的小銀片均勻粘在鈦酸鋇陶瓷片上；其中，銀片在鈦酸鋇陶瓷片上所占面積應(yīng)小于10％。通過調(diào)整銀片的個(gè)數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)納米級(jí)銀顆粒尺寸的控制，這樣就制成了銀和鈦酸鋇的復(fù)合靶。
步驟二、基底的處理將硅片放入5％的氫氟酸溶液中泡10～20分鐘以去除表面的氧化層，然后，用蒸餾水漂洗；對(duì)石英片基底，則用丙酮超聲清洗30分鐘；若用氯化鈉為基底，必須選用新解理的表面。
步驟三、濺射過程；在進(jìn)行濺射之前，真空室的真空度要求高于3×10-6托。隨后，往真空室內(nèi)通氬氣，使真空度保持在2×10-2托左右。開啟射頻電源，調(diào)整射頻功率為100～150瓦。在此功率范圍內(nèi)，薄膜的沉積速率為1.3～2.0納米/分。調(diào)整濺射時(shí)間，可制備不同厚度的復(fù)合膜。這樣制得的薄膜為納米級(jí)銀顆粒鑲嵌在非晶鈦酸鋇薄膜中。
步驟四、熱處理過程濺射完畢后，將復(fù)合膜置于石英爐內(nèi)，在流動(dòng)的氧氣下加熱到450～600℃之間一固定溫度保溫一小時(shí)。降溫時(shí)要求有氮?dú)獗Ｗo(hù)，以防銀氧化。這樣得到的產(chǎn)物為納米級(jí)銀顆粒鑲嵌在多晶鈦酸鋇薄膜中。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是1.本發(fā)明制備的復(fù)合膜中銀顆粒大小一致，均在納米量級(jí)，且均勻分散在鈦酸鋇中。此外，通過改變復(fù)合靶上銀片所占面積，可改變銀顆粒的數(shù)量及尺寸。
2.本發(fā)明可使非晶鈦酸鋇的晶化溫度降低近200℃，并且銀的介入使晶化后的鈦酸鋇的晶粒尺寸減小至10～30納米。
用本發(fā)明方法制備的納米級(jí)銀顆粒鑲嵌在鈦酸鋇中的復(fù)合膜，由于其表面光滑，厚度均勻，且能與半導(dǎo)體硅片相兼容，可作為微電子器件用在集成電路中；此外，還可用于非線性光學(xué)器件。由于鑲嵌在鈦酸鋇中的銀顆粒具有量子點(diǎn)的特性，也可用于量子器件中。
實(shí)施例1將三片0.5×2×7mm3的小銀片用銀膠均勻粘在直徑6厘米的圓形鈦酸鋇陶瓷片上。
將拋光的單晶硅片放入5％氫氟酸溶液中泡15分鐘，再用蒸餾水漂洗多次，用電吹風(fēng)吹干硅片；隨后，同新解理的氯化鈉單晶片一同迅速放入真空室中。
對(duì)真空室抽氣，直至真空度達(dá)到2×10-5托；給真空室充氬氣，氣壓維持在2×10-2托；開啟射頻電源，調(diào)整射頻功率到120瓦；濺射一小時(shí)，所得產(chǎn)物經(jīng)透射電鏡分析表明為平均粒徑15納米的銀顆粒均勻鑲嵌在非晶鈦酸鋇薄膜中，薄膜厚度為150納米。
實(shí)施例2將實(shí)施例1所得樣品放入石英爐內(nèi)，在流動(dòng)的氧氣中加熱至520℃，保溫一小時(shí)；之后，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下使其自然冷卻；經(jīng)X射線衍射，透射電鏡和原子力顯微鏡分析表明所得產(chǎn)物為平均粒徑21納米的銀顆粒鑲嵌在多晶鈦酸鋇薄膜中；其中，鈦酸鋇的平均粒徑為25納米。


圖1放大10萬倍二鈉米級(jí)銀顆粒鑲嵌在非晶鈦酸鋇薄膜中的照片，銀顆粒的粒徑范圍6～20納米。
圖2放大五萬倍的納米級(jí)銀顆粒鑲嵌在非晶鈦酸鋇薄膜中的照片，銀顆粒的粒徑范圍42～66納米。
權(quán)利要求
1.一種尺寸可控的納米級(jí)銀顆粒鑲嵌在鈦酸鋇薄膜中的制備方法，其特征是，采用銀和鈦酸鋇的復(fù)合靶，在氬氣壓為2×10-2托，濺射功率范圍為100～150瓦的條件下進(jìn)行濺射；基底可采用拋光的硅單晶片、石英光學(xué)玻璃片及新解理的氯化鈉單晶片；濺射其間基底不加熱，可得到納米級(jí)銀顆粒均勻鑲嵌在非晶鈦酸鋇中的復(fù)合薄膜；對(duì)所得薄膜進(jìn)行退火處理，使非晶鈦酸鋇晶化，可得到納米級(jí)銀顆粒鑲嵌在多晶鈦酸鋇中的復(fù)合薄膜；通過調(diào)整復(fù)合靶上銀片所占面積，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合膜中銀顆粒數(shù)量及尺寸的控制。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是步驟一、復(fù)合靶的制備以碳酸鋇和二氧化鈦為原料，以1∶1的摩爾比稱取兩種原料，按照傳統(tǒng)的陶瓷燒結(jié)工藝，制得密度高于96％的鈦酸鋇陶瓷片；用銀膠將尺寸相同、個(gè)數(shù)不等的小銀片均勻粘在鈦酸鋇陶瓷片上；其中，銀片在鈦酸鋇陶瓷片上所占面積應(yīng)小于10％；通過調(diào)整銀片的個(gè)數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)納米級(jí)銀顆粒尺寸的控制，這樣就制成了銀和鈦酸鋇的復(fù)合靶；步驟二、基底的處理使用硅單晶片做基底時(shí)，將硅片放入5％的氫氟酸溶液中泡10～20分鐘，以去除表面的氧化層；然后，用蒸餾水漂洗；對(duì)石英片做基底，則用丙酮超聲清洗30分鐘；若用氯化鈉為基底，必須選用新解理的表面；步驟三、濺射過程在進(jìn)行濺射之前，真空室的真空度要求高于3×10-6托；隨后，往真空室內(nèi)通氬氣，使真空度保持在2×10-2托左右；開啟射頻電源，調(diào)整射頻功率為100～150瓦；薄膜的沉積調(diào)整濺射時(shí)間，可制備不同厚度的復(fù)合膜；這樣制得的薄膜為納米級(jí)銀顆粒鑲嵌在非晶鈦酸鋇薄膜中；步驟四、熱處理過程將步驟三制得的復(fù)合膜置于石英爐內(nèi)，在流動(dòng)的氧氣下加熱到460～600℃之間一固定溫度，保溫一小時(shí)；降溫時(shí)要求有氮?dú)獗Ｗo(hù)，得到的產(chǎn)物為納米級(jí)銀顆粒鑲嵌在多晶鈦酸鋇薄膜中；
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征是所述步驟一中所用銀片在鈦酸鋇陶瓷片上所占面積＜10％；通過調(diào)整銀片的個(gè)數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)納米級(jí)銀顆粒尺寸的控制。
4.一種如權(quán)利要求1所述方法制備的產(chǎn)品，其特征是，制備出的鑲嵌在鈦酸鋇薄膜中的銀顆粒的平均粒徑為8～70納米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種尺寸可控的納米級(jí)銀顆粒鑲嵌在鈦酸鋇薄膜中的制備方法:先制備復(fù)合靶,再處理基底,及進(jìn)行濺射,最后是熱處理。本發(fā)明通過調(diào)整銀片在復(fù)合靶中所占面積,實(shí)現(xiàn)對(duì)納米級(jí)銀顆粒尺寸的控制。本發(fā)明制備的復(fù)合膜中銀顆粒大小一致,均在納米量級(jí),平均粒徑為8～70納米。用本發(fā)明方法制備的產(chǎn)品,能與半導(dǎo)體硅片兼容。所以,不僅可用于微電子器件集成電路中,還可用于非線性光學(xué)器件及量子器件中。
文檔編號(hào)C23C14/06GK1188814SQ97107200
公開日1998年7月29日 申請(qǐng)日期1997年11月14日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月14日
發(fā)明者王冰, 張立德 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院固體物理研究所