摻雜BiFeO3薄膜的制備與性能研究.pdf

1、多鐵材料是指在一定溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出鐵電性（反）、鐵磁性（反）以及鐵彈性中一種以上性能的材料。此類材料在鐵電器件、磁性方面和磁電耦合等器件方面有著廣泛的應(yīng)用前景，近年來(lái)受到了人們的廣泛關(guān)注。BiFeO3(BFO)是目前唯一在室溫下即顯示出多鐵性的單相多鐵材料。但BFO3中因Bi容易揮發(fā)及Fe離子的價(jià)態(tài)波動(dòng)可導(dǎo)致大的漏電流，進(jìn)而嚴(yán)重影響其鐵電、介電等電學(xué)性能。本文主要利用磁控濺射和溶膠凝膠方法制備了摻雜的BFO3薄膜，研究了襯底、退火溫度以

2、及退火氣氛對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)與電性能的影響。
　　 采用磁控濺射法，在Si襯底上用LaNiO3(LNO)作為緩沖層，制備了10％A位Nd替代的BiFeO3（即Bi0.9Nd0.1FeO3，簡(jiǎn)寫(xiě)為BNFO）薄膜。研究了不同退火溫度(400℃-650℃)下BNFO薄膜的結(jié)構(gòu)、鐵電、介電以及漏電流等性質(zhì)。X射線衍射結(jié)果表明，400℃退火的樣品未結(jié)晶，退火溫度為450℃時(shí)晶化不明顯，主要為L(zhǎng)NO3底電極的峰，當(dāng)薄膜的退火溫度等于或高于550℃時(shí)

3、，薄膜出現(xiàn)細(xì)銳的峰，表明薄膜的結(jié)晶良好，呈鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，且沒(méi)有雜相產(chǎn)生。退火溫度為600℃時(shí)主要峰位進(jìn)一步增強(qiáng)，雜峰最少，主要呈(111)方向擇優(yōu)生長(zhǎng)，取向度I(111)/[I(111)+I(200)]為0.922。退火溫度為650℃時(shí)發(fā)生了結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，同時(shí)有少量雜峰出現(xiàn)。加偏壓情況下(0-9.9V)，退火溫度為600℃樣品的漏電流最小，在9.97×10-8A/cm2至2.98×10-7A/cm2之間，550℃退火的樣品數(shù)量級(jí)為10-5A

4、/cm2，比前者大了兩到三個(gè)數(shù)量級(jí);650℃退火的漏電流也稍大于600℃退火的結(jié)果。漏電流機(jī)理分析表明漏電流主要來(lái)源于電極與薄膜的界面。
　　 以上述研究結(jié)果為基礎(chǔ)，研究了不同退火氣氛對(duì)BNFO薄膜電性能的影響，退火溫度均為550℃。X射線衍射結(jié)果顯示，在氮?dú)夂涂諝鈿夥障?，薄膜都呈現(xiàn)純的鈣鈦礦相。在氮?dú)鈿夥障?，薄膜?111)取向，剩余極化和矯頑場(chǎng)分別為1μC/cm2和40kV/cm;空氣氣氛下退火的樣品呈(110)取向，剩余極

5、化和矯頑場(chǎng)分別為0.8μC/cm2和25kV/cm。在相同的電場(chǎng)強(qiáng)度下，氮?dú)夥胀嘶鸬臉悠繁瓤諝鈿夥障碌穆╇娏鞯鸵粋€(gè)數(shù)量級(jí)。
　　 此外，不同襯底對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)與性能也有影響。研究中，還研究了在氧化鋯摻釔(YSZ)襯底上用LaNiO3(LNO)作為緩沖層的BNFO薄膜的結(jié)構(gòu)和電性能，樣品分別在600℃下氧氣和氮?dú)鈿夥罩型嘶?。電滯回線結(jié)果顯示，氮?dú)庵型嘶鸬臉悠凤柡蜆O化強(qiáng)度為12.5μC/cm2，剩余極化強(qiáng)度為2.5μC/cm2，矯頑場(chǎng)

6、為40kV/cm;氧氣中退火的樣品飽和極化強(qiáng)度為5μC/cm2，剩余極化強(qiáng)度為2.4μC/cm2，矯頑場(chǎng)為60kV/cm。從漏電流的結(jié)果上來(lái)看，氮?dú)庵型嘶鸬臉悠仿╇娏鞅妊鯕夥障碌囊∥鍌€(gè)數(shù)量級(jí)。
　　 采用低溫自蔓延燃燒法成功地制備了B位摻雜5％Cr的BiFeO3(BiCr0.1Fe0.9O3)和10％的BiFeO3(BiCr0.05Fe0.95O3)兩個(gè)靶材，并用磁控濺射方法制備了相應(yīng)的兩種薄膜，研究其介電性能、鐵電和漏電流性

7、能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明用BiCr0.05Fe0.95O3靶材制備的薄膜的介電性和鐵電性均優(yōu)于用BiCr0.1Fe0.9O3靶材制備的薄膜。前者測(cè)得的介電常數(shù)和介電損耗對(duì)測(cè)量頻率不敏感。后者的介電常數(shù)對(duì)測(cè)量頻率不敏感，介電損耗隨著頻率的增加而減少。
　　 采用溶膠凝膠法在鉑金襯底上制得La、Gd共摻雜的Bi0.7Gd0.15La0.15FeO3和Nd、Gd共摻雜Bi0.7Gd0.15Nd0.15FeO3薄膜，Bi0.7Gd0.15Nd0