12060-59-2/鈦酸鍶的應用

背景及概述^[1][2]

鈦酸鍶具有較高的介電常數，是電子陶瓷粉體的重要原料，其制品具有介電耗損低、熱穩定性好等優點，因而在電子工業上被廣泛應用。自然科學雜志對鈦酸鍶制備的報道很多，最典型的方法是2002年無機鹽工業的“鈦酸鍶粉體合成新方法研究”所提供的實驗室方法，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，使用化學共沉淀法合成鈦酸鍶粉體，研究了工藝條件對產品純度和鍶鈦比的影響。

最佳反應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，反應溫度為室溫，需要在900℃煅燒4小時；該種方法的缺點是需要長時間的煅燒，可能因部分鈦酸鍶的晶粒長大而使粒度分布不均勻；此外有研究對鈦酸鍶地結晶機理進行了較詳細的闡述，但其配制方法和合成鈦酸鍶的溶液在工業生產中可行性較差。世界上制備鈦酸鍶的方法有固相法、共沉淀法、溶膠-凝膠法、有機配合物前驅體法等工藝。

固相法工藝是將氧化鈦和碳酸鍶進行高溫灼燒，由于灼燒后的鈦酸鍶粒度分布不易控制、純度低，從而極大地影響產品的性能。共沉淀法是液相化學反應合成超細高純金屬氧化物顆粒最早采用的方法，沉淀法成本較低，但有如下問題：沉淀物通常為膠狀物，水洗、過濾較困難；沉淀劑作為雜質易混入，沉淀過程中各種成分可能發生偏析，水洗時部分沉淀物發生溶解。

此外由于大量金屬離子不容易發生沉淀反應，因此這種方法適用面也較窄。溶膠-凝膠法一般采用有機金屬醇鹽為原料，通過水解、聚合、干燥等過程得到固體的前驅物，最后再經適當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，同時凝膠過程較慢，因此一般合成周期較長。

此外，一些不容易通過水解聚合的金屬離子較難牢固地結合到凝膠網絡中，從而使得該方法制得的超細高純復合氧化物種類有限。因此，若使用目前的固相法、共沉淀法、溶膠-凝膠法、有機配合物前驅體法等工藝制備的鈦酸鍶均存在著不足和缺陷。

應用^[2][3]

鈦酸鍶是電子工業重要原料，用以自動調節加熱元件和制造具有消磁作用的元器件。在陶瓷領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材料及人造寶石。

鈦酸鍶晶體具有高折射指數和高介電常數，它的單晶體被用作光學材料及人造寶石。以鈦酸鍶為基材的低溫超導體也已制成。其應用舉例如下：

1. 制備一種工藝簡單，穩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，這兩層導電類型不同的鈦酸鍶薄膜在界面處就形成一個p-n結，這個p-n結就構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p-n-p結，這個p- n-p結就構成了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n-p-n結，這個n-p-n結就構成了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，且結面更銳，而鈦酸鍶熔點高，穩定性好，故鈦酸鍶晶體管將成為一種廣泛應用的電子器件，亦可發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行烘烤，形成酸鍶薄膜；將所述鈦酸鍶薄膜進行退火處理，形成非晶薄膜；在所述非晶薄膜表面進行電子束蒸發濺射形成頂電極，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新點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單，制備過程中對溫度的要求較低，能夠進行批量生產，而且制備得到的鈦酸鍶薄膜器件的穩定性好、耐疲勞能夠循環使用，開關比大，400℃退火時開關比達到103，應用領域廣泛。該非晶鈦酸鍶薄膜器件的結構示意圖

制備^[2]

1. 草酸沉淀法將高純四氯化鈦、氯化鍶、高純草酸配成一定濃度的溶液，然后氯化鍶和四氯化鈦按一定的配比制成鍶一鈦混合液，在60～70℃下緩慢地加入到草酸溶液中，反應1h左右，得到草酸氧鈦鍶[SrTiO(C2O4)·4H2O]沉淀，經洗滌、烘干、煅燒，制得鈦酸鍶粉體。

2.以碳酸鍶和二氧化鈦為原料。將等物質的量的碳酸鍶、二氧化鈦及其他添加劑進行混合并研磨，擠壓成型，放入電爐中，于1100～1200℃煅燒2.5～3h，將煅燒物粉碎，再研磨酸洗、過濾洗滌、干燥，即得鈦酸鍶。或者以氯化鍶、四氯化鈦、草酸為原料，反應得到白色沉淀，經過濾，用去離子水洗滌至無氯離子，再用無水乙醇洗滌分散、脫水，于700℃干燥，經800℃煅燒即可。

主要參考資料

[1] 戴瑞斌;王承珍;張兵;宋錫濱.制備納米級高純鈦酸鍶粉體的工藝.CN03138741.1，申請日20030630

[2] 湯卉;唐新桂;劉秋香;蔣艷平;張天富.一種非晶鈦酸鍶薄膜器件及其制備方法.CN201711474152.5，申請日20171229

[3] 呂惠賓;戴守愚;陳凡;趙彤;陳正豪;周岳亮;王煥華;何萌;楊國楨.鈦酸鍶晶體管.CN00100366.6，申請日20000119