專利名稱：微波熔鹽法合成片狀晶體SrTiO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人工晶體生長(zhǎng)新技術(shù)，具體涉及一種在熔鹽法合成片狀晶SrTiO3中引入微波場(chǎng)，使晶體能在低溫下生長(zhǎng)的方法。
背景技術(shù)：
SrTiO3是典型的鈣鈦礦型多功能陶瓷，具有超導(dǎo)性，半導(dǎo)性，氣敏性，熱敏性，光敏性，高介電常數(shù)及低介電損耗等優(yōu)點(diǎn)，因此是電子工業(yè)中應(yīng)用較廣的一種電子陶瓷材料。片狀晶體結(jié)構(gòu)的SrTiO3的制備是引人關(guān)注的對(duì)象，主要是SrTiO3表現(xiàn)出以下一些特點(diǎn)(1)對(duì)于給定面積范圍，片狀或?qū)訝頢rTiO3晶體可屈服成更薄的薄膜，可提高復(fù)層電容器需要的更薄層陶瓷粉末的性能；(2)以SrTiO3片狀晶體作為籽晶，可以實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦型陶瓷定向生長(zhǎng)，從而使陶瓷的電學(xué)性能大幅度增加。
目前制備SrTiO3片狀晶體的方法是熔鹽法，熔鹽法的主要思想是將鹽與反應(yīng)物按照一定的比例配制反應(yīng)混合物，混合均勻后，加熱使鹽熔化，反應(yīng)物在鹽的熔體中進(jìn)行反應(yīng)，生成產(chǎn)物，冷卻至室溫后，用去離子水清洗數(shù)次以除去其中的鹽得到產(chǎn)物粉體。熔鹽法控制粉體顆粒的形狀和尺寸的機(jī)理與反應(yīng)物和鹽的熔體之間的表面能和界面能有關(guān)，由于表面能和界面能有減小的趨勢(shì)，最終導(dǎo)致熔鹽法合成的粉體具有特定的形貌。熔鹽法合成SrTiO3片狀晶體分兩步進(jìn)行(1)首先合成片狀前驅(qū)體Sr3Ti2O7，(2)然后在前驅(qū)體Sr3Ti2O7上外延生長(zhǎng)出SrTiO3片狀晶體。常規(guī)熔鹽法合成SrTiO3片狀晶需要在1200～1300℃的高溫下進(jìn)行，因此如何改進(jìn)工藝降低SrTiO3的合成溫度和縮短晶化時(shí)間成為重要的研究課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是改進(jìn)常規(guī)熔鹽法合成SrTiO3的工藝，降低合成溫度和縮短晶化時(shí)間，提供一種人工合成SrTiO3晶體生長(zhǎng)的新方法。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)思路是，在熔鹽法的基礎(chǔ)上，在熔鹽體系中引入微波場(chǎng)，使晶體能在更低的溫度下形成，并將這種材料合成的新技術(shù)命名為微波熔鹽法。
本發(fā)明的目的是以下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種鈣鈦礦型SrTiO3片狀晶體陶瓷(具有(001)取向的片狀晶體SrTiO3)的制備方法，其特征是先制備所述的片狀晶體SrTiO3所用的片狀前驅(qū)物Sr3Ti2O7((001)取向的片狀前驅(qū)物)，然后用制得的片狀前驅(qū)物Sr3Ti2O7與TiO2為起始反應(yīng)物制備片狀晶體SrTiO3，其制備步驟為步驟1，以純度大于99％的SrCO3和純度大于99％的TiO2為起始反應(yīng)物，按SrCO3∶TiO2＝3∶2的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料；步驟2，將步驟1配好的起始反應(yīng)物料混合球磨6～12小時(shí)，然后加入助熔劑NaCl和KCl，助熔劑的質(zhì)量與起始反應(yīng)物總質(zhì)量比為0.5～2.0∶1，NaCl與KCl的摩爾比為1∶1，然后再混合球磨6～12小時(shí)，兩次混合球磨的分散劑均為無水乙醇；步驟3，將步驟2球磨結(jié)束后的物料于70℃～80℃在空氣中干燥，烘干后的物料經(jīng)壓片后放入剛玉坩堝，在微波真空燒結(jié)爐中于700℃～750℃下熱處理1～6小時(shí)，熱處理之后的物料采用去離子水反復(fù)洗滌，直到洗出水用AgNO3檢測(cè)不到氯離子，即得到片狀晶體前驅(qū)物Sr3Ti2O7；步驟4，將步驟3得到片狀晶體Sr3Ti2O7和TiO2為起始反應(yīng)物，按Sr3Ti2O7∶TiO2＝1∶1的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料；步驟5，將步驟4配好的起始反應(yīng)物料以無水乙醇為分散劑磁力攪拌1～2小時(shí)；然后加入助熔劑NaCl和KCl，助熔劑的質(zhì)量與起始反應(yīng)物總質(zhì)量比為0.5～2.0∶1，NaCl和KCl的摩爾比為1∶1，然后繼續(xù)攪拌1～2小時(shí)；步驟6，在步驟5進(jìn)行后，將物料于70℃～80℃在空氣中干燥，烘干后的物料在微波真空燒結(jié)爐中于700℃～750℃下熱處理1～6個(gè)小時(shí)，熱處理之后的物料采用去離子水反復(fù)洗滌，直到洗出水用AgNO3檢測(cè)不到氯離子，即得到鈣鈦礦型SrTiO3片狀晶體陶瓷。
本發(fā)明所述的鈣鈦礦型SrTiO3片狀晶體的尺寸為10～15微米。
在用微波熔鹽法低溫合成片狀晶Sr3Ti2O7的過程中，我們的試驗(yàn)結(jié)果是用微波熔鹽法在700℃熱處理30分鐘開始出現(xiàn)明顯的片狀晶Sr3Ti2O7，有生長(zhǎng)方向片狀的大小不均，大的在5微米以上；隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)和溫度的降低，晶粒長(zhǎng)得更大，通過優(yōu)化合成工藝，在750℃保溫3個(gè)小時(shí)得到的Sr3Ti2O7是均勻的片狀，大小在10微米以上。將前驅(qū)體Sr3Ti2O7和TiO2在微波場(chǎng)中于700℃保溫2個(gè)小時(shí)得到了10～15微米的片狀晶體SrTiO3，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，晶體長(zhǎng)得更大。
用本發(fā)明這種方法低溫合成了片狀晶體SrTiO3。該方法也適用于其它人工晶體的生長(zhǎng)，本發(fā)明的這種方法將推進(jìn)人工晶體的合成工藝朝向能耗低和周期短的方向發(fā)展。


圖1是微波熔鹽法在750℃保溫3個(gè)小時(shí)的片狀前驅(qū)體Sr3Ti2O7的XRD圖譜圖2是微波熔鹽法在750℃保溫3個(gè)小時(shí)的片狀前驅(qū)體Sr3Ti2O7的掃描電鏡照片圖3是微波熔鹽法在700℃保溫2個(gè)小時(shí)的片狀晶體SrTiO3的XRD圖譜圖4是微波熔鹽法在700℃保溫2個(gè)小時(shí)的片狀晶體SrTiO3的掃描電鏡照片具體實(shí)施方式
微波熔鹽法制備片狀晶體SrTiO3的具體實(shí)施如下以微波熔鹽法合成的片狀前驅(qū)體Sr3Ti2O7為籽晶，通過異質(zhì)外延法制得片狀晶體SrTiO3。首先將Sr3Ti2O7和TiO2為起始反應(yīng)物，按Sr3Ti2O7∶TiO2＝1∶1的化學(xué)比進(jìn)行配料；然后將配好的起始反應(yīng)物料以無水乙醇為分散劑磁力攪拌1～2個(gè)小時(shí)；然后加入助熔劑NaCl和KCl，助熔劑的質(zhì)量與起始反應(yīng)物總質(zhì)量比為0.5～2.0∶1，NaCl和KCl的摩爾比為1∶1，然后繼續(xù)攪拌1～2個(gè)小時(shí)；將磁力攪拌結(jié)束后的物料于70℃～80℃在空氣中干燥，烘干后的物料在微波真空燒結(jié)爐中于700℃～750℃下熱處理1～6個(gè)小時(shí)，熱處理之后的物料采用去離子水反復(fù)洗滌，直到用AgNO3檢測(cè)不到氯離子，即得到片狀晶體SrTiO3。
制備SrTiO3的片狀前驅(qū)體Sr3Ti2O7為籽晶的配方和條件如下實(shí)施例實(shí)施例1
以純度大于99％的SrCO3和純度大于99％的TiO2為起始反應(yīng)物，按SrCO3∶TiO2＝3∶2的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料；將配好的起始反應(yīng)物料混合球磨6小時(shí)，然后加入助熔劑NaCl和KCl，助熔劑的質(zhì)量與起始反應(yīng)物總質(zhì)量比為0.5∶1，NaCl和KCl的摩爾比為1∶1，然后再混合球磨6小時(shí)；兩次混合球磨的分散劑均為無水乙醇；將球磨結(jié)束后的物料于70℃在空氣中干燥，烘干后的物料經(jīng)壓片后放入剛玉坩堝，在微波真空燒結(jié)爐中于700℃下熱處理2小時(shí)，熱處理之后的物料用去離子水反復(fù)洗滌，直到洗出水用AgNO3檢測(cè)不到氯離子，即得到鈣鈦礦型Sr3Ti2O7片狀晶體。
實(shí)施例2以純度大于99％的SrCO3和純度大于99％的TiO2為起始反應(yīng)物，按SrCO3∶TiO2＝3∶2的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料；將配好的起始反應(yīng)物料混合球磨12小時(shí)，然后加入助熔劑NaCl和KCl，助熔劑的質(zhì)量與起始反應(yīng)物總質(zhì)量比為0.5∶1，NaCl和KCl的摩爾比為1∶1，然后再混合球磨12小時(shí)；兩次混合球磨的分散劑均為無水乙醇；將球磨結(jié)束后的物料于70℃在空氣中干燥，烘干后的物料經(jīng)壓片后放入剛玉坩堝，在微波真空燒結(jié)爐中于700℃下熱處理2小時(shí)，熱處理之后的物料采用去離子水反復(fù)洗滌，直到洗出水用AgNO3檢測(cè)不到氯離子，即得到鈣鈦礦型Sr3Ti2O7片狀晶體。
實(shí)施例3以純度大于99％的SrCO3和純度大于99％的TiO2為起始反應(yīng)物，按SrCO3∶TiO2＝3∶2的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料；將配好的起始反應(yīng)物料混合球磨6小時(shí)，然后加入助熔劑NaCl和KCl，助熔劑的質(zhì)量與起始反應(yīng)物總質(zhì)量比為1∶1，NaCl和KCl的摩爾比為1∶1，然后再混合球磨12小時(shí)；兩次混合球磨的分散劑均為無水乙醇；將球磨結(jié)束后的物料于70℃在空氣中干燥，烘干后的物料經(jīng)壓片后放入剛玉坩堝，在微波真空燒結(jié)爐中于700℃下熱處理2小時(shí)，熱處理之后的物料采用去離子水反復(fù)洗滌，直到洗出水用AgNO3檢測(cè)不到氯離子，即得到鈣鈦礦型Sr3Ti2O7片狀晶體。
實(shí)施例4以純度大于99％的SrCO3和純度大于99％的TiO2為起始反應(yīng)物，按SrCO3∶TiO2＝3∶2的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料；將配好的起始反應(yīng)物料混合球磨12小時(shí)，然后加入助熔劑NaCl和KCl，助熔劑的質(zhì)量與起始反應(yīng)物總質(zhì)量比為1∶1，NaCl和KCl的摩爾比為1∶1，然后再混合球磨12小時(shí)；兩次混合球磨的分散劑均為無水乙醇；將球磨結(jié)束后的物料于80℃在空氣中干燥，烘干后的物料經(jīng)壓片后放入剛玉坩堝，在微波真空燒結(jié)爐中于750℃下熱處理3小時(shí)，熱處理之后的物料采用去離子水反復(fù)洗滌，直到洗出水用AgNO3檢測(cè)不到氯離子，即得到鈣鈦礦型Sr3Ti2O7片狀晶體。Sr3Ti2O7片狀晶體的XRD圖譜見圖1，掃描電鏡圖見圖2。
實(shí)施例5以純度大于99％的SrCO3和純度大于99％的TiO2為起始反應(yīng)物，按SrCO3∶TiO2＝3∶2的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料；將配好的起始反應(yīng)物料混合球磨12小時(shí)，然后加入助熔劑NaCl和KCl，助熔劑的質(zhì)量與起始反應(yīng)物總質(zhì)量比為2∶1，NaCl和KCl的摩爾比為1∶1，然后再混合球磨12小時(shí)；兩次混合球磨的分散劑均為無水乙醇；將球磨結(jié)束后的物料于80℃在空氣中干燥，烘干后的物料經(jīng)壓片后放入剛玉坩堝，在微波真空燒結(jié)爐中于750℃下熱處理6小時(shí)，熱處理之后的物料采用去離子水反復(fù)洗滌，直到洗出水用AgNO3檢測(cè)不到氯離子，即得到鈣鈦礦型Sr3Ti2O7片狀晶體。
制備片狀晶體SrTiO3的配方和條件如下實(shí)施例。
下面實(shí)施例中制備SrTiO3所用的片狀前驅(qū)體Sr3Ti2O7是按上述實(shí)施例制備的，所用的TiO2純度大于99％。
實(shí)施例6將Sr3Ti2O7和TiO2為起始反應(yīng)物，按Sr3Ti2O7∶TiO2＝1∶1的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料；然后將配好的起始反應(yīng)物料以無水乙醇為分散劑磁力攪拌1小時(shí)；然后加入助熔劑NaCl和KCl，助熔劑的質(zhì)量與起始反應(yīng)物總質(zhì)量比為0.5∶1，NaCl和KCl的摩爾比為1∶1，然后繼續(xù)攪拌1小時(shí)；將磁力攪拌結(jié)束后的物料于70℃在空氣中干燥，烘干后的物料在微波真空燒結(jié)爐中于700℃下熱處理1小時(shí)，熱處理之后的物料采用去離子水反復(fù)洗滌，直到洗出水用AgNO3檢測(cè)不到氯離子，即得到片狀晶體SrTiO3。
實(shí)施例7將Sr3Ti2O7和TiO2為起始反應(yīng)物，按Sr3Ti2O7∶TiO2＝1∶1的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料；然后將配好的起始反應(yīng)物料以無水乙醇為分散劑磁力攪拌1小時(shí)；然后加入助熔劑NaCl和KCl，助熔劑的質(zhì)量與起始反應(yīng)物總質(zhì)量比為1∶1，NaCl和KCl的摩爾比為1∶1，然后繼續(xù)攪拌1小時(shí)；將磁力攪拌結(jié)束后的物料于70℃在空氣中干燥，烘干后的物料在微波真空燒結(jié)爐中于700℃下熱處理1小時(shí)，熱處理之后的物料采用去離子水反復(fù)洗滌，直到洗出水用AgNO3檢測(cè)不到氯離子，即得到片狀晶體SrTiO3。
實(shí)施例8將Sr3Ti2O7和TiO2為起始反應(yīng)物，按Sr3Ti2O7∶TiO2＝1∶1的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料；然后將配好的起始反應(yīng)物料以無水乙醇為分散劑磁力攪拌2小時(shí)；然后加入助熔劑NaCl和KCl，助熔劑的質(zhì)量與起始反應(yīng)物總質(zhì)量比為0.5∶1，NaCl和KCl的摩爾比為1∶1，然后繼續(xù)攪拌2小時(shí)；將磁力攪拌結(jié)束后的物料于80℃在空氣中干燥，烘干后的物料在微波真空燒結(jié)爐中于700℃下熱處理2小時(shí)，熱處理之后的物料采用去離子水反復(fù)洗滌，直到洗出水用AgNO3檢測(cè)不到氯離子，即得到片狀晶體SrTiO3。片狀晶SrTiO3的XRD圖譜見圖3，掃描電鏡圖見圖4。
實(shí)施例9將Sr3Ti2O7和TiO2為起始反應(yīng)物，按Sr3Ti2O7∶TiO2＝1∶1的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料；然后將配好的起始反應(yīng)物料以無水乙醇為分散劑磁力攪拌1小時(shí)；然后加入助熔劑NaCl和KCl，助熔劑的質(zhì)量與起始反應(yīng)物總質(zhì)量比為2∶1，NaCl和KCl的摩爾比為1∶1，然后繼續(xù)攪拌1小時(shí)；將磁力攪拌結(jié)束后的物料于70℃在空氣中干燥，烘干后的物料在微波真空燒結(jié)爐中于700℃下熱處理1小時(shí)，熱處理之后的物料采用去離子水反復(fù)洗滌，直到洗出水用AgNO3檢測(cè)不到氯離子，即得到片狀晶體SrTiO3。
實(shí)施例10將Sr3Ti2O7和TiO2為起始反應(yīng)物，按Sr3Ti2O7∶TiO2＝1∶1的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料；然后將配好的起始反應(yīng)物料以無水乙醇為分散劑磁力攪拌2小時(shí)；然后加入助熔劑NaCl和KCl，助熔劑的質(zhì)量與起始反應(yīng)物總質(zhì)量比為2∶1，NaCl和KCl的摩爾比為1∶1，然后繼續(xù)攪拌2小時(shí)；將第二次磁力攪拌結(jié)束后的物料于70℃在空氣中干燥，烘干后的物料在微波真空燒結(jié)爐中于750℃下熱處理2小時(shí)，熱處理之后的物料采用去離子水反復(fù)洗滌，直到洗出水用AgNO3檢測(cè)不到氯離子，即得到片狀晶體SrTiO3。
權(quán)利要求
1.一種鈣鈦礦型SrTiO3片狀晶體陶瓷的制備方法，其特征是先制備所述的片狀晶體SrTiO3所用的片狀前驅(qū)物Sr3Ti2O7，然后用制得的片狀前驅(qū)物Sr3Ti2O7與TiO2為起始反應(yīng)物制備片狀晶體SrTiO3，其制備步驟為步驟1，以純度大于99％的SrCO3和純度大于99％的TiO2為起始反應(yīng)物，按SrCO3∶TiO2＝3∶2的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料；步驟2，將步驟1配好的起始反應(yīng)物料混合球磨6～12小時(shí)，然后加入助熔劑NaCl和KCl，助熔劑的質(zhì)量與起始反應(yīng)物總質(zhì)量比為0.5～2.0∶1，NaCl與KCl的摩爾比為1∶1，然后再混合球磨6～12小時(shí)，兩次混合球磨的分散劑均為無水乙醇；步驟3，將步驟2球磨結(jié)束后的物料于70℃～80℃在空氣中干燥，烘干后的物料經(jīng)壓片后放入剛玉坩堝，在微波真空燒結(jié)爐中于700℃～750℃下熱處理1～6小時(shí)，熱處理之后的物料采用去離子水反復(fù)洗滌，直到洗出水用AgNO3檢測(cè)不到氯離子，即得到片狀晶體前驅(qū)物Sr3Ti2O7；步驟4，將步驟3得到片狀晶體Sr3Ti2O7和TiO2為起始反應(yīng)物，按Sr3Ti2O7∶TiO2＝1∶1的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料；步驟5，將步驟4配好的起始反應(yīng)物料以無水乙醇為分散劑磁力攪拌1～2小時(shí)；然后加入助熔劑NaCl和KCl，助熔劑的質(zhì)量與起始反應(yīng)物總質(zhì)量比為0.5～2.0∶1，NaCl和KCl的摩爾比為1∶1，然后繼續(xù)攪拌1～2小時(shí)；步驟6，在步驟5進(jìn)行后，將物料于70℃～80℃在空氣中干燥，烘干后的物料在微波真空燒結(jié)爐中于700℃～750℃下熱處理1～6個(gè)小時(shí)，熱處理之后的物料采用去離子水反復(fù)洗滌，直到洗出水用AgNO3檢測(cè)不到氯離子，即得到鈣鈦礦型SrTiO3片狀晶體陶瓷。
2.如權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦型SrTiO3片狀晶體陶瓷的制備方法，其特征在于所述的SrTiO3片狀晶體的尺寸為10～15微米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微波熔鹽法合成片狀晶體SrTiO
文檔編號(hào)C30B29/00GK1958885SQ20061012465
公開日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2006年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者曹明賀, 徐林, 劉韓星 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)