专利摘要

本发明公开了一种单晶钽酸钾薄膜的制备方法。该方法以五氧化二钽和氢氧化钾作为主要原料，同时氢氧化钾也作为矿化剂，在室温下强力搅拌，加入掺铌钛酸锶基板，然后将其在高温下进行水热处理，得到单晶钽酸钾薄膜。所述的掺铌钛酸锶基板为单抛的单晶基片，取向为(001)。本发明采用水热法首次制得了单晶钽酸钾薄膜。本发明的制备方法工艺过程简单，易于控制，无污染，成本低，易于规模化生产；制备的产品为高质量的大面积单晶薄膜，并且与基板形成了高质量的异质结界面，在信息存储、自旋电子器件、传感器等领域具有广泛的潜在应用前景。

权利要求

1.一种单晶钽酸钾薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将氢氧化钾溶解于装有去离子水的反应釜内胆中，充分搅拌，得到摩尔浓度为6~8mol/L氢氧化钾溶液；

2）在搅拌状态下，向步骤1）制得的氢氧化钾水溶液中加入1 mmol五氧化二钽，用去离子水调节反应釜内胆中的反应物料体积达到反应釜内胆容积的80%，搅拌2h ，得到反应前驱体的悬浊液；

3）将单晶掺铌钛酸锶基板按照先后顺序在丙酮、乙醇、去离子水、乙醇中各超声至少10min，随后在60℃下干燥，然后将干燥后的掺铌钛酸锶基板垂直置于步骤2）中装有反应前驱体的悬浊液的反应釜内胆中，并使其与反应釜内胆底部的距离为1cm；所述的掺铌钛酸锶基板为单抛的单晶基片，取向为（001）；

4）将步骤3）中的反应釜内胆置于反应釜中，密封，在200℃下保存8~12h进行水热处理，然后让反应釜自然冷却到室温，卸釜后，用去离子水和无水乙醇洗涤反应产物，过滤，烘干，制得单晶钽酸钾薄膜。

2.根据权利要求1所述的单晶钽酸钾薄膜的制备方法，其特征在于，所述的反应釜为聚四氟乙烯内胆，不锈钢套件密闭的反应釜，所述的掺铌钛酸锶基板置于聚四氟乙烯架子上。

3.根据权利要求1所述的单晶钽酸钾薄膜的制备方法，其特征在于，所述的五氧化二钽纯度不低于99.99%，氢氧化钾的纯度都不低于化学纯。

说明书

技术领域

本发明涉及一种单晶钽酸钾薄膜的制备方法，属于功能材料制备领域。

背景技术

KTaO3晶体具有较大的折射率和介电常数，较低的介电损耗，透光波段较宽，KTaO3晶体主要应用于数字式偏转器、可调微波器件和各种集成光学窗口。此外，KTaO3晶体还有较为显著的二次电光效应，在激光调制器上也有一定得应用。但是，由于钽酸钾的居里温度较低，且不易在低成本条件下生长出大尺寸单晶薄膜，限制了其应用。

同时，晶体管、激光器和太阳能电池都利用异质界面现象，氧化物异质结尤其是钙钛矿氧化物异质结一直是材料科学研究领域的热点研究之一。比如，在钛酸锶/铝酸镧(STO/LAO)体系中发现的界面二维电子气、铁磁性引起了科研工作者的广泛关注。但是现在制备氧化物异质结尤其是拥有原子级平整界面的异质结的方法，主要是氧化物分子束外延和脉冲激光沉积，设备复杂且价格昂贵，实验条件要求苛刻，从而寻找一种简单、有效、高产的氧化物异质结制备方法不论是对于实际生产还是科学研究而言都是极其重要而且急迫的。

本发明首次采用水热法在掺铌钛酸锶基板(100)暴露面上外延生长高质量的单晶钽酸钾薄膜，并且可以获得原子级平整的界面。本发明工艺过程简单，易于控制，无污染，成本低，易于规模化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单晶钽酸钾薄膜的制备方法，该方法成本低，工艺简单，过程易于控制，能够获得高质量的异质结界面。

本发明采用以下技术方案实现：

一种单晶钽酸钾薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1)将氢氧化钾溶解于装有去离子水的反应釜内胆中，充分搅拌，得到摩尔浓度为6～10mol/L氢氧化钾溶液；

2)在搅拌状态下，向步骤1)制得的氢氧化钠水溶液中加入0.5-5mmol五氧化二钽，用去离子水调节反应釜内胆中的反应物料体积达到反应釜内胆容积的70％-80％，搅拌2-3h，得到反应前驱体的悬浊液；

3)将单晶掺铌钛酸锶基板按照先后顺序在丙酮、乙醇、去离子水、乙醇中各超声至少10min，随后在60℃-80℃下干燥，然后将干燥后的掺铌钛酸锶基板垂直置于步骤2)中装有反应前驱体的悬浊液的反应釜内胆中，并使其与反应釜内胆底部的距离为1～2cm；

4)将步骤3)中的反应釜内胆置于反应釜中，密封，在140℃-200℃下保存2～24h进行水热处理，然后让反应釜自然冷却到室温，卸釜后，用去离子水和无水乙醇洗涤反应产物，过滤，烘干，制得单晶钽酸钾薄膜。

上述技术方案中，进一步地，所述的反应釜为聚四氟乙烯内胆，不锈钢套件密闭的反应釜，基板放置在聚四氟乙烯架子上。

进一步地，所述的五氧化二钽纯度不低于99.99％，氢氧化钾的纯度都不低于化学纯。

进一步地，所述的掺铌钛酸锶基板为单抛的单晶基片，取向为(001)。

进一步地，所制得的钽酸钾薄膜的厚度为20～300nm。

本发明的有益效果在于：

本发明在原料仅为五氧化二钽和氢氧化钾条件下，采用水热法制备钽酸钾薄膜。水热法可以在较低的温度下实现保持钽酸钾化学计量的合成，同时，由于反应环境为液相，十分有利于结晶反应的均匀成核和扩散，且产物结晶性能良好。在本发明的制备方法中，首次完全采用水热法一步生长钽酸钾晶体，引入掺铌钛酸锶(Nb-SrTiO3)导电基板，通过界面的电荷转移以及异质形核的共同作用调控钽酸钾晶体的生长。通过本发明方法在水热环境中可以制备出具备高质量的大面积单晶钽酸钾薄膜，并且与基板形成了高质量的异质结界面。本发明工艺过程简单，易于控制，无污染，成本低，易于生产。

附图说明

图1是本发明制备的单晶钽酸钾薄膜的扫描电子显微镜(SEM)图；

图2是本发明制备的单晶钽酸钾薄膜的X射线衍射图谱(XRD)；

图3是本发明制备的单晶钽酸钾薄膜的断面的扫描电子显微镜(SEM)图。

具体实施方式

以下结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

1)将一定质量的氢氧化钾溶解于去离子水中，充分搅拌，得到摩尔浓度为6mol/L氢氧化钾溶液；

2)在搅拌状态下，向步骤1)制得的氢氧化钠水溶液中加入1mmol五氧化二钽，用去离子水调节反应釜内胆中的反应物料体积达到反应釜内胆容积的80％，搅拌2h，得到反应前驱体的悬浊液，并将悬浊液置于聚四氟乙烯内胆中；

3)将单晶掺铌钛酸锶基板按照先后顺序在丙酮、乙醇、去离子水、乙醇中各超声10min，随后在60℃下干燥，然后将干燥后的掺铌钛酸锶基板垂直置于离反应釜内胆底部1cm的位置；

4)将步骤3)配置有反应物料和基板的反应釜内胆置于反应釜中，密封，在200℃下保存12h进行水热处理，然后让反应釜自然冷却到室温，卸釜后，用去离子水和无水乙醇反复洗涤反应产物，过滤，烘干，制得单晶钽酸钾薄膜。

实施例2

1)将一定质量的氢氧化钾溶解于去离子水中，充分搅拌，得到摩尔浓度为8mol/L氢氧化钾溶液；

2)在搅拌状态下，向步骤1)制得的氢氧化钠水溶液中加入1mmol五氧化二钽，用去离子水调节反应釜内胆中的反应物料体积达到反应釜内胆容积的80％，搅拌2h，得到反应前驱体的悬浊液，并将悬浊液置于聚四氟乙烯内胆中；

3)将单晶掺铌钛酸锶基板按照先后顺序在丙酮、乙醇、去离子水、乙醇中各超声10min，随后在60℃下干燥，然后将干燥后的掺铌钛酸锶基板垂直置于离反应釜内胆底部1cm的位置；

4)将步骤3)配置有反应物料和基板的反应釜内胆置于反应釜中，密封，在200℃下保存12h进行水热处理，然后让反应釜自然冷却到室温，卸釜后，用去离子水和无水乙醇反复洗涤反应产物，过滤，烘干，制得单晶钽酸钾薄膜。

实施例3

1)将一定质量的氢氧化钾溶解于去离子水中，充分搅拌，得到摩尔浓度为8mol/L氢氧化钾溶液；

2)在搅拌状态下，向步骤1)制得的氢氧化钠水溶液中加入1mmol五氧化二钽，用去离子水调节反应釜内胆中的反应物料体积达到反应釜内胆容积的80％，搅拌2h，得到反应前驱体的悬浊液，并将悬浊液置于聚四氟乙烯内胆中；

3)将单晶掺铌钛酸锶基板按照先后顺序在丙酮、乙醇、去离子水、乙醇中各超声10min，随后在60℃下干燥，然后将干燥后的掺铌钛酸锶基板垂直置于离反应釜内胆底部1cm的位置；

4)将步骤3)配置有反应物料和基板的反应釜内胆置于反应釜中，密封，在200℃下保存8h进行水热处理，然后让反应釜自然冷却到室温，卸釜后，用去离子水和无水乙醇反复洗涤反应产物，过滤，烘干，制得单晶钽酸钾薄膜。

实施例4

1)将一定质量的氢氧化钾溶解于去离子水中，充分搅拌，得到摩尔浓度为10mol/L氢氧化钾溶液；

2)在搅拌状态下，向步骤1)制得的氢氧化钠水溶液中加入5mmol五氧化二钽，用去离子水调节反应釜内胆中的反应物料体积达到反应釜内胆容积的70％，搅拌3h，得到反应前驱体的悬浊液，并将悬浊液置于聚四氟乙烯内胆中；

3)将单晶掺铌钛酸锶基板按照先后顺序在丙酮、乙醇、去离子水、乙醇中各超声10min，随后在80℃下干燥，然后将干燥后的掺铌钛酸锶基板垂直置于离反应釜内胆底部1cm的位置；

4)将步骤3)配置有反应物料和基板的反应釜内胆置于反应釜中，密封，在200℃下保存12h进行水热处理，然后让反应釜自然冷却到室温，卸釜后，用去离子水和无水乙醇反复洗涤反应产物，过滤，烘干，制得单晶钽酸钾薄膜。

实施例5

1)将一定质量的氢氧化钾溶解于去离子水中，充分搅拌，得到摩尔浓度为6mol/L氢氧化钾溶液；

2)在搅拌状态下，向步骤1)制得的氢氧化钠水溶液中加入0.5mmol五氧化二钽，用去离子水调节反应釜内胆中的反应物料体积达到反应釜内胆容积的80％，搅拌2h，得到反应前驱体的悬浊液，并将悬浊液置于聚四氟乙烯内胆中；

3)将单晶掺铌钛酸锶基板按照先后顺序在丙酮、乙醇、去离子水、乙醇中各超声10min，随后在60℃下干燥，然后将干燥后的掺铌钛酸锶基板垂直置于离反应釜内胆底部1cm的位置；

4)将步骤3)配置有反应物料和基板的反应釜内胆置于反应釜中，密封，在200℃下保存12h进行水热处理，然后让反应釜自然冷却到室温，卸釜后，用去离子水和无水乙醇反复洗涤反应产物，过滤，烘干，制得单晶钽酸钾薄膜。

由图1和图2可知，本发明的实施例成功制得了单晶钽酸钾薄膜，钽酸钾生长在取向(001)的掺铌钛酸锶基板上，且其取向与基底取向一致，薄膜具有平整的表面；从图3可看出，本发明制得的单晶钽酸钾薄膜的厚度为238nm。

一种单晶钽酸钾薄膜的制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。