鈦酸鍶的概述
時(shí)間：2022-12-05
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鈦酸鍶的應(yīng)用背景及概述
鈦酸鍶的應(yīng)用背景及概述
鈦酸鍶具有較高的介電常數(shù)，是電子陶瓷粉體的重要原料，其制品具有介電耗損低、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因而在電子工業(yè)上被廣泛應(yīng)用。自然科學(xué)雜志對(duì)鈦酸鍶制備的報(bào)道很多，最典型的方法是2002年無(wú)機(jī)鹽工業(yè)的“鈦酸鍶粉體合成新方法研究”所提供的實(shí)驗(yàn)室方法，該方法以四氯化鈦和氯化鍶為原料、碳酸銨和氨水作為沉淀劑，使用化學(xué)共沉淀法合成鈦酸鍶粉體，研究了工藝條件對(duì)產(chǎn)品純度和鍶鈦比的影響。
反應(yīng)條件為四氯化鈦和氯化鍶摩爾比為 1.02，碳酸銨和氯化鍶摩爾比為1.40，反應(yīng)溫度為室溫，需要在900℃煅燒4小時(shí)；該種方法的缺點(diǎn)是需要長(zhǎng)時(shí)間的煅燒，可能因部分鈦酸鍶的晶粒長(zhǎng)大而使粒度分布不均勻；此外有研究對(duì)鈦酸鍶地結(jié)晶機(jī)理進(jìn)行了較詳細(xì)的闡述，但其配制方法和合成鈦酸鍶的溶液在工業(yè)生產(chǎn)中可行性較差。世界上制備鈦酸鍶的方法有固相法、共沉淀法、溶膠-凝膠法、有機(jī)配合物前驅(qū)體法等工藝。
固相法工藝是將氧化鈦和碳酸鍶進(jìn)行高溫灼燒，由于灼燒后的鈦酸鍶粒度分布不易控制、純度低，從而極大地影響產(chǎn)品的性能。共沉淀法是液相化學(xué)反應(yīng)合成超細(xì)高純金屬氧化物顆粒最早采用的方法，沉淀法成本較低，但有如下問(wèn)題：沉淀物通常為膠狀物，水洗、過(guò)濾較困難；沉淀劑作為雜質(zhì)易混入，沉淀過(guò)程中各種成分可能發(fā)生偏析，水洗時(shí)部分沉淀物發(fā)生溶解。
此外由于大量金屬離子不容易發(fā)生沉淀反應(yīng)，因此這種方法適用面也較窄。溶膠-凝膠 法一般采用有機(jī)金屬醇鹽為原料，通過(guò)水解、聚合、干燥等過(guò)程得到固體的前驅(qū)物，最后再經(jīng)適當(dāng)熱處理得到納米材料；由于采用金屬醇鹽為原料，使該方法成本較高，同時(shí)凝膠過(guò)程較慢，因此一般合成周期較長(zhǎng)。
此外，一些不容易通過(guò)水解聚合的金屬離子較難牢固地結(jié)合到凝膠網(wǎng)絡(luò)中，從而使得該方法制得的超細(xì)高純復(fù)合氧化物種類有限。因此，若使用目前的固相法、共沉淀法、溶膠-凝膠法、有機(jī)配合物前驅(qū)體法等工藝制備的鈦酸鍶均存在著不足和缺陷。
鈦酸鍶是電子工業(yè)重要原料，用以自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱元件和制造具有消磁作用的元器件。在陶瓷領(lǐng)域中用做制造陶瓷電容器、壓電陶瓷材料、陶瓷敏感元件、微波陶瓷元件。還可用做顏料、搪瓷、耐熱材料、絕緣材料。鈦酸鍶單晶可用做光學(xué)材料及人造寶石。
鈦酸鍶粉末
鈦酸鍶晶體具有高折射指數(shù)和高介電常數(shù)，它的單晶體被用作光學(xué)材料及人造寶石。以鈦酸鍶為基材的低溫超導(dǎo)體也已制成。其應(yīng)用舉例如下：
1. 制備一種工藝簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好的鈦酸鍶晶體管。
采用替位摻雜法，使用激光分子束外延，脈沖激光沉積，磁控濺射，電子束蒸發(fā)或分子束外延等制膜方法，在單晶基片(如SrTiO3, YSZ,LaAlO3,Nb:SrTiO3等)上制備出n型鈦酸鍶SrAxTi1-xO3或 Sr1-xLaxTiO3薄膜材料，其中A是Nb或Sb；制備出p型鈦酸鍶SrBxTi1-xO3 薄膜材料，其中B是In或Mn。所有x的取值范圍為0.005-0.5。
把一層p型鈦酸鍶和一層n型鈦酸鍶外延在一起，這兩層導(dǎo)電類型不同的鈦酸鍶薄膜在界面處就形成一個(gè)p-n結(jié)，這個(gè)p-n結(jié)就構(gòu)成了鈦酸鍶晶體二極管；把一層p型鈦酸鍶和一層n型鈦酸鍶和另一層p型鈦 酸鍶外延在一起，這三層鈦酸鍶薄膜就形成一個(gè)p-n-p結(jié)，這個(gè)p- n-p結(jié)就構(gòu)成了p-n-p鈦酸鍶三極管；把一層n型鈦酸鍶，一層p型 鈦酸鍶和另一層n型鈦酸鍶外延在一起，這三層鈦酸鍶薄膜就形成了 一個(gè)n-p-n結(jié)，這個(gè)n-p-n結(jié)就構(gòu)成了n-p-n鈦酸鍶三極管。
所述的鈦酸鍶晶體管，采用全外延工藝，因此每層的層厚和載流子濃度都較鍺硅晶體管更易控制，且結(jié)面更銳，而鈦酸鍶熔點(diǎn)高，穩(wěn)定性好，故鈦酸鍶晶體管將成為一種廣泛應(yīng)用的電子器件，亦可發(fā)展成為鈦酸鍶集成電路。
2. 制備一種非晶鈦酸鍶薄膜器件的制備方法，
包括：在基底表面旋涂底電極溶液后退火，形成底電極；在所述底電極表面旋涂鈦酸鍶溶液后進(jìn)行烘烤，形成酸鍶薄膜；將所述鈦酸鍶薄膜進(jìn)行退火處理，形成非晶薄膜；在所述非晶薄膜表面進(jìn)行電子束蒸發(fā)濺射形成頂電極，得到非晶鈦酸鍶薄膜器件。
該非晶鈦酸鍶薄膜器件的最大的創(chuàng)新點(diǎn)在器件的主體氧化物薄膜層為非晶薄膜，并且制備方法工藝簡(jiǎn)單，制備過(guò)程中對(duì)溫度的要求較低，能夠進(jìn)行批量生產(chǎn)，而且制備得到的鈦酸鍶薄膜器件的穩(wěn)定性好、耐疲勞能夠循環(huán)使用，開(kāi)關(guān)比大，400℃退火時(shí)開(kāi)關(guān)比達(dá)到103，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。
鈦酸鍶的應(yīng)用背景及概述
鈦酸鍶具有較高的介電常數(shù)，是電子陶瓷粉體的重要原料，其制品具有介電耗損低、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因而在電子工業(yè)上被廣泛應(yīng)用。自然科學(xué)雜志對(duì)鈦酸鍶制備的報(bào)道很多，最典型的方法是2002年無(wú)機(jī)鹽工業(yè)的“鈦酸鍶粉體合成新方法研究”所提供的實(shí)驗(yàn)室方法，該方法以四氯化鈦和氯化鍶為原料、碳酸銨和氨水作為沉淀劑，使用化學(xué)共沉淀法合成鈦酸鍶粉體，研究了工藝條件對(duì)產(chǎn)品純度和鍶鈦比的影響。
反應(yīng)條件為四氯化鈦和氯化鍶摩爾比為 1.02，碳酸銨和氯化鍶摩爾比為1.40，反應(yīng)溫度為室溫，需要在900℃煅燒4小時(shí)；該種方法的缺點(diǎn)是需要長(zhǎng)時(shí)間的煅燒，可能因部分鈦酸鍶的晶粒長(zhǎng)大而使粒度分布不均勻；此外有研究對(duì)鈦酸鍶地結(jié)晶機(jī)理進(jìn)行了較詳細(xì)的闡述，但其配制方法和合成鈦酸鍶的溶液在工業(yè)生產(chǎn)中可行性較差。世界上制備鈦酸鍶的方法有固相法、共沉淀法、溶膠-凝膠法、有機(jī)配合物前驅(qū)體法等工藝。
固相法工藝是將氧化鈦和碳酸鍶進(jìn)行高溫灼燒，由于灼燒后的鈦酸鍶粒度分布不易控制、純度低，從而極大地影響產(chǎn)品的性能。共沉淀法是液相化學(xué)反應(yīng)合成超細(xì)高純金屬氧化物顆粒最早采用的方法，沉淀法成本較低，但有如下問(wèn)題：沉淀物通常為膠狀物，水洗、過(guò)濾較困難；沉淀劑作為雜質(zhì)易混入，沉淀過(guò)程中各種成分可能發(fā)生偏析，水洗時(shí)部分沉淀物發(fā)生溶解。
此外由于大量金屬離子不容易發(fā)生沉淀反應(yīng)，因此這種方法適用面也較窄。溶膠-凝膠 法一般采用有機(jī)金屬醇鹽為原料，通過(guò)水解、聚合、干燥等過(guò)程得到固體的前驅(qū)物，最后再經(jīng)適當(dāng)熱處理得到納米材料；由于采用金屬醇鹽為原料，使該方法成本較高，同時(shí)凝膠過(guò)程較慢，因此一般合成周期較長(zhǎng)。
此外，一些不容易通過(guò)水解聚合的金屬離子較難牢固地結(jié)合到凝膠網(wǎng)絡(luò)中，從而使得該方法制得的超細(xì)高純復(fù)合氧化物種類有限。因此，若使用目前的固相法、共沉淀法、溶膠-凝膠法、有機(jī)配合物前驅(qū)體法等工藝制備的鈦酸鍶均存在著不足和缺陷。
鈦酸鍶是電子工業(yè)重要原料，用以自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱元件和制造具有消磁作用的元器件。在陶瓷領(lǐng)域中用做制造陶瓷電容器、壓電陶瓷材料、陶瓷敏感元件、微波陶瓷元件。還可用做顏料、搪瓷、耐熱材料、絕緣材料。鈦酸鍶單晶可用做光學(xué)材料及人造寶石。
鈦酸鍶粉末
鈦酸鍶晶體具有高折射指數(shù)和高介電常數(shù)，它的單晶體被用作光學(xué)材料及人造寶石。以鈦酸鍶為基材的低溫超導(dǎo)體也已制成。其應(yīng)用舉例如下：
1. 制備一種工藝簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好的鈦酸鍶晶體管。
采用替位摻雜法，使用激光分子束外延，脈沖激光沉積，磁控濺射，電子束蒸發(fā)或分子束外延等制膜方法，在單晶基片(如SrTiO3, YSZ,LaAlO3,Nb:SrTiO3等)上制備出n型鈦酸鍶SrAxTi1-xO3或 Sr1-xLaxTiO3薄膜材料，其中A是Nb或Sb；制備出p型鈦酸鍶SrBxTi1-xO3 薄膜材料，其中B是In或Mn。所有x的取值范圍為0.005-0.5。
把一層p型鈦酸鍶和一層n型鈦酸鍶外延在一起，這兩層導(dǎo)電類型不同的鈦酸鍶薄膜在界面處就形成一個(gè)p-n結(jié)，這個(gè)p-n結(jié)就構(gòu)成了鈦酸鍶晶體二極管；把一層p型鈦酸鍶和一層n型鈦酸鍶和另一層p型鈦 酸鍶外延在一起，這三層鈦酸鍶薄膜就形成一個(gè)p-n-p結(jié)，這個(gè)p- n-p結(jié)就構(gòu)成了p-n-p鈦酸鍶三極管；把一層n型鈦酸鍶，一層p型 鈦酸鍶和另一層n型鈦酸鍶外延在一起，這三層鈦酸鍶薄膜就形成了 一個(gè)n-p-n結(jié)，這個(gè)n-p-n結(jié)就構(gòu)成了n-p-n鈦酸鍶三極管。
所述的鈦酸鍶晶體管，采用全外延工藝，因此每層的層厚和載流子濃度都較鍺硅晶體管更易控制，且結(jié)面更銳，而鈦酸鍶熔點(diǎn)高，穩(wěn)定性好，故鈦酸鍶晶體管將成為一種廣泛應(yīng)用的電子器件，亦可發(fā)展成為鈦酸鍶集成電路。
2. 制備一種非晶鈦酸鍶薄膜器件的制備方法，
包括：在基底表面旋涂底電極溶液后退火，形成底電極；在所述底電極表面旋涂鈦酸鍶溶液后進(jìn)行烘烤，形成酸鍶薄膜；將所述鈦酸鍶薄膜進(jìn)行退火處理，形成非晶薄膜；在所述非晶薄膜表面進(jìn)行電子束蒸發(fā)濺射形成頂電極，得到非晶鈦酸鍶薄膜器件。
該非晶鈦酸鍶薄膜器件的最大的創(chuàng)新點(diǎn)在器件的主體氧化物薄膜層為非晶薄膜，并且制備方法工藝簡(jiǎn)單，制備過(guò)程中對(duì)溫度的要求較低，能夠進(jìn)行批量生產(chǎn)，而且制備得到的鈦酸鍶薄膜器件的穩(wěn)定性好、耐疲勞能夠循環(huán)使用，開(kāi)關(guān)比大，400℃退火時(shí)開(kāi)關(guān)比達(dá)到103，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。
