钛酸铜钙溶胶凝胶法形成机理

合成透明稳定的溶胶对于制备优异电性能的BaTiO3（BT）薄膜是尤为关键的一步。以无水乙醇、异丙醇、乙二醇和乙二醇甲醚4种溶剂做对比，从合成溶胶的稳定性、表面张力以及制备出的BaTiO3薄膜的SEM等几方面比较了4种溶剂的优缺点，最后以乙二醇甲醚合成的溶胶最清晰、稳定，用此溶胶在Si(100)基底上得到了均匀无开裂的钛酸钡薄膜。

[关键词]BaTiO3薄膜；溶胶－凝胶法；溶剂；选择；表面张力

[中图分类号] O 648.16 [文献标识码] A[文章编号] 1003-5095(2010）02-0027-03

BaTiO3薄膜具有高的介电常数，良好的铁电、压电和绝缘性能，并随着器件的高集成、微型化的要求，BaTiO3薄膜在各领域受到高度重视。随着薄膜技术的进步，人们已经通过脉冲激光沉积、射频磁控溅射、水热法、金属有机物气相沉积（MOCVD）和溶胶－凝胶（Sol-Gol）等方法制备出了BaTiO3薄膜。溶胶－凝胶法由于反应在溶液中进行，均匀度高，而且烧结温度低、设备简单等而受到广泛的关注。而溶胶－凝胶法中一个重要的问题就是如何选择合适的原材料和合适的溶剂，这将最终影响薄膜的电学性质。

本文除了从溶胶的稳定性、薄膜的电子显微（SEM）照片等方面考察了4种溶剂的区别，其独到之处在于从溶胶的表面张力方面考察了不同溶剂合成的溶胶对基底的附着能力的强弱。综合考虑几方面的性能，选择出了能够生成稳定溶胶、溶胶与基片的结合性好、所制备的膜表面光滑、均匀的溶剂，为得到优异电性能的多层BaTiO3薄膜打下了基础。

1 实验

1.1 试剂及仪器

Ba(CH3COO)2(分析纯)，天津市天大化工实验厂；Ti(OC4H9)4(Ⅲ级化学纯)，北京化工厂；冰醋酸(分析纯)，天津市大茂化学仪器供应站；乙二醇甲醚(分析醇)，天津天泰精细化学品有限公司；乙二醇(分析纯)，石家庄市有机化工厂；无水乙醇(分析纯)，北京化工厂；异丙醇，山东省禹王实业总公司化学试剂厂。

日立S-570扫描电镜；表面张力测定仪（南京桑力实验设备有限公司）。

1.2 实验步骤

取一定量的Ba(CH3COO)2溶于热乙酸中，加入等物质量的比的Ti(OC4H9)4，搅拌过程中加入适量的水，使其水解，用溶剂把溶胶调成一定的浓度，搅拌1 h后形成黄色透明溶胶，过滤，取滤液在单晶Si(100)片上甩膜50 s，在一定温度下热分解，最后在973 K左右进行退火处理，就得到了以单晶硅为基质的钛酸钡薄膜。

2 结果与讨论

首先考察分别用4种溶剂合成的溶胶与基片Si之间的浸润情况，再根据甩膜后薄膜的表面形貌情况来选择最佳溶剂。实验所选用的溶剂为无水乙醇、异丙醇、乙二醇和乙二醇甲醚。

2.1 稳定性比较

溶胶制备过程中，醇盐中的－OR基会与醇溶剂中的－OR互相交换，这就可能造成醇盐水解活性的变化，同一醇盐选用的溶剂不同，其水解速率、凝胶时间也就随之改变[1]。相同条件下，选用的4种溶剂制备的溶胶时，其溶胶的稳定性：乙二醇为溶剂时，溶胶澄清透明、非常稳定，可保持1年以上；乙二醇甲醚为溶剂时溶胶能稳定存在10 d左右；用无水乙醇作溶剂的溶胶凝胶化时间需要大概7 d；异丙醇为溶剂时，溶胶不稳定，12 h之内便有不溶物析出，经实验测定为醋酸钡从溶胶中析出，而溶胶的稳定性的好坏直接影响制备多层膜工作的连续性。经实验对比，得出以4种物质为溶剂制备溶胶的稳定性依次为乙二醇＞乙二醇甲醚＞无水乙醇＞异丙醇。

2.2 表面张力的比较

要使溶胶很好地附着在基片上，就必须考虑两者之间的相互作用，宏观上就是浸润问题，从热力学角度看属于表面能问题。基于这种理论，研究不同物质作溶剂时，用溶胶的表面张力的大小来说明溶胶与基片的附着问题。

2.2.1 实验步骤

采用最大泡压法测定所制得的溶胶的表面张力。

式中，σ是待测液的表面张力；r是毛细管的内半径；ΔP最大是气泡脱离时的最大压差。测量时，先用已知表面张力的液体水测求仪器常数值即毛细管的内半径。

测量待测液的表面张力：用在同样条件下制备的待测液，润洗支管试管和毛细管后，加入适量的样品于支管试管中，分别测得用无水乙醇、异丙醇、乙二醇甲醚、乙二醇作为溶剂的溶胶的最大压差，并计算出4种溶胶的表面张力。

2.2.2 实验数据

实验数据如表1、表2所示。由表1得出，所选用仪器的毛细管半径为0.169 8 mm。表2测得待测液气泡脱离时的最大压差，在得到毛细管半径的基础上，计算表面张力。

2.2.3 实验结果

分析薄膜在基片上是否能很好地附着，可以看二者是否能很好地互相浸润。因为金属是高表面能材料，而氧化物是低表面能材料。表面能的相对大小决定一种材料是否和另外一种材料相湿润并形成均匀的黏附层。具有非常低表面能的材料容易和具有较高表面能的材料相湿润[2-5]。即表面张力小的材料容易在表面张力大的材料表面形成吸附牢固的膜，反之则不能形成均匀的膜，而得到岛状沉积物。单晶硅是固体材料具有非常大的表面能，所以4种溶剂所制溶胶中，表面张力小的，应该与基片结合得最好，从实测数据得出以4种物质为溶剂所制备的溶胶其表面张力为乙二醇＞乙二醇甲醚＞无水乙醇＞异丙醇，其结论和目测的实验结果正好相符。异丙醇和无水乙醇为溶剂时，膜与基片结合得好，溶胶能完全在单晶硅上铺展开，形成很均匀的单层膜。乙二醇甲醚为溶剂制得溶胶甩膜时，不如前两个好，但也较均匀，基本上能铺展开。乙二醇为溶剂因为其表面张力最大，溶胶和基片不浸润，甩膜一定时间后，溶胶仍然聚集在一起，形成岛状结构，不能铺展开。

2.3 SEM比较

溶剂的挥发性是影响薄膜质量的重要方面，Brinker认为Sol-Gol法制备膜的多孔性依赖于分子级产物的结构、缩聚和蒸发的相对速率几方面，缩聚使薄膜变硬，蒸发使其致密，提高蒸发速率有利于形成致密的薄膜 ，蒸发过快，膜不均匀，易留下孔洞和开裂[4，6,7]。图1是4种不同溶剂合成的溶胶制成的钛酸钡薄膜的电子显微镜照片。

a 无水乙醇为溶剂；b 乙二醇为溶剂；

c 异丙醇为溶剂；d 乙二醇甲醚为溶剂

图1 不同物质作溶剂时BaTiO3薄膜SEM图

从图1中a可看出以无水乙醇为溶剂时，膜的表面很不光滑，和无水乙醇挥发性极强有关，乙醇快速挥发导致薄膜形成快速而出现斑痕，难以得到均匀致密的薄膜。乙二醇和异丙醇作为溶剂时钛酸钡的表面出现了裂痕和孔洞，虽然薄膜上没有裂开的地方，薄膜很均匀，但是颗粒小，不利于形成具有铁电性的薄膜。乙二醇甲醚作溶剂的膜表面比较均匀、光滑，而且晶粒也较大。

3 结 论

通过以上3方面的比较，可以看出，4种溶剂各有利弊：无水乙醇和基片结合得好，溶胶较稳定，但由于其挥发性太强，导致用其制备的BaTiO3的微观形貌不好；异丙醇为溶剂时溶胶最不稳定，不利于实验的连续进行：乙二醇为溶剂其溶胶的稳定性很强，对连续性工作非常有易，但其最大的弊端是与基片的黏附性不好，这样将得不到实验所需要的膜；乙二醇甲醚为溶剂时，溶胶与基片的结合好，膜表面较光滑，颗粒大，虽然稳定性不是最强，但基本能满足实验的要求，综合以上实验结果，最终认为选择乙二醇甲醚为溶剂来制备钛酸钡薄膜前驱体溶胶比较合理，为进一步合成多层具有铁电性质的薄膜奠定了基础。

扫描电镜检测是材料微观形貌观察必不可少的研究手段，但水凝胶材料由于含有大量水分或有机溶剂，无法直接放入电镜中观察。电镜工作需要维持高真空环境，而水分在真空中会迅速挥发，导致图像异常甚至电镜故障。

因此，对于水凝胶样品，通常需要进行冷冻干燥处理，将水分去除后再进行拍摄。

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