溶胶凝胶法制备薄膜

东南大学材料科学与工程

实验报告

学生姓名徐佳乐班级学号12011421 实验日期2014/9/3 批改教师

课程名称电子信息材料大型实验批改日期

实验名称溶胶-凝胶法制备薄膜材料报告成绩

一、实验目的

1、了解溶胶-凝胶法制备薄膜的基本原理。

2、掌握旋涂法制备薄膜的具体方法。

二、实验原理

溶胶-凝胶法基本过程是一些易水解的金属化合物（金属醇盐或无机盐）在魔种有机溶剂中与水发生作用。通过水解缩聚反应形成凝胶膜，再通过热分解，去除凝胶中残余的有机物和水分，最后通过热处理形成所需要的结晶膜。一般的工艺流程图如下。

溶胶形成凝胶的水解和缩聚反应如下：

M(OH)n+xH2O→(RO)n-xM-(OH)x+xROH （水解反应）

-M-OH+OH-M→M-O-M-+H2O （脱水缩聚反应）

-M-OH+RO-M→M-O-M+ROH （脱醇缩聚反应）

溶胶-凝胶技术由于各组分在溶液或溶胶中彻底混合，达到分子级接触，因而具有微区组分高度均匀，化学计量比较准确，易于掺杂及低温下获得高熔点化合物的优点。

三、实验设备及材料

实验仪器：电子天平、磁力搅拌器、甩胶机、净化操作台、快速退

火处理设备、玻璃仪器。

实验药品：醋酸钡、钛酸丁酯、冰乙酸、乙二醇甲醚、硅片等。

四、实验内容及步骤

1.配置溶液

（1）计算配置10ml，0.3mol/L的BaTiO3前体溶液所需的醋酸钡和

钛酸丁酯的用量。经计算得：醋酸钡0.76g 钛酸丁酯1.02g。

（2）在电子天平上铺称量纸调零后称取醋酸钡0.76g，将醋酸钡放入称量瓶中，放入磁子。

（3）用量筒量取2ml冰乙酸加入放有醋酸钡的称量瓶盖紧塞子后将称量瓶放在磁力搅拌器上，使醋酸钡充分溶解。

（4）将另一个称量瓶放在电子天平上，调零，称取1.02g钛酸丁酯，用量筒称取4ml乙二醇甲醚调入装有钛酸丁酯的称量瓶内，将称量瓶放在磁力搅拌器上使液体混合均匀。

（5）最后将钛酸丁酯溶液缓慢加入醋酸钡溶液，将称量瓶放在磁力搅拌器上使液体混合均匀。最后将称量瓶中的溶液加乙二醇甲醚配至10ml，将称量瓶放在磁力搅拌器上使液体混合均匀，然后用玻璃漏斗过滤。

（6）测试所配溶液的pH值，测得pH值为6。

2.甩胶法制膜

（1）将硅片用丙酮清洗再用乙醇清洗。

（2）开净化操作台电源，开通风电源，开甩胶机电源，调整转速为3000rpm，甩胶时间为20s。

（3）用镊子将清洗好的硅片放在甩胶头上，开真空泵，用滴管将2-3滴溶液滴在基片上，溶液铺满基片表面，启动电源进行甩胶，甩好的基片在热台（250℃）上烘烤5min。然后利用设定好的快速热处理升温曲线，在快速热退火处理设备内进行退火。

（4）重复甩胶和热处理步骤两次，得到一定厚度的BaTiO3薄膜。

（5）在显微镜下观察薄膜表面。如下图：

本次试验在甩胶时效果不太好，很多硅片在第一次甩胶时只能残留很少的薄膜。烘干后第二次甩胶时能够制得较大的薄膜，不过总体薄膜的覆盖率不高，且质量较差。可能有两种原因导致，一种是溶液配制的问题或是溶液反应时间不够，所得溶胶凝胶粘度不够，不能黏在硅片上。另一种是硅片表面处理的问题，没有适当处理，导致与溶胶凝胶粘结系数不够。

五、思考题

1.本实验中，你所实际配置的溶液浓度是多少？

答：0.312mol/L

2.前提溶液中，冰乙酸起什么作用，为什么控制溶液的pH值。

答：因为钛酸丁酯是一种非常活泼的醇盐，遇水会发生剧烈的水解反应，如果有足够的水参与反应，一般将生成性能稳定的氢氧化钛。所以冰乙酸在反应中作为溶剂，使易水解的金属化合物能够在冰乙酸中与水发生反应。因为醋酸钡和钛酸丁酯易水解，在发生水解反应、脱水缩聚反应和脱醇缩聚反应时，ph值可以控制反应速率和反应程度。

3.溶液放置一段时间，粘度有什么变化？这一变化说明什么？

答：粘度会增加，溶液的水解及聚合反应在缓慢的过程中不断地进行着，金属有机化合物经过脱酸脱醇反应，慢慢合成了有机大分子团链，随着这种分子团链聚合度的增大，溶液粘度增加。