铁酸铋磁电薄膜的制备及其掺杂

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1、铁酸铋磁电薄膜的制备及其掺杂摘要BiFeO，具有三方扭曲的钙钛矿结构，是少数室温下同时具有铁电性和磁性的单相铁电磁材料之一。由于室温下同时具有的两种结构有序，即铁电有序(Tc～810"C)和G型反铁磁有序(聃380℃)，成为磁电材料的重要候选材料之一。但BiFe03中Fe容易出现变价和Bi的易挥发，导致磁电薄膜漏导增加，也影响了其本身的磁电性质。因此如何获得具有纯相的BiFe03薄膜以及通过A位离子的有效掺杂是改善磁电性能的最主要的途径。本论文以Fe(N03)3"9H20，Bi(N03)3·5n20，La(N03)·6H20为前驱物原料，乙二醇为溶剂，对无机盐络合物法制备Bi

2、Fe03薄膜的工艺进行研究。通过实验，最终确定了以尿素为络合剂，尿素与BiFe03的摩尔比为1：1，前躯液浓度为0．3mol／L，配制的BiFe03溶胶均匀且稳定性好。采用旋涂法涂膜并研究了薄膜的烧结工艺，制定了严格的升温制度，确定了薄膜的最佳退火温度为600℃，保温时间为20min。借助X射线衍射、扫描电镜、能量色散谱仪、差热／热重分析仪和傅立叶变换红外光谱分析对所制备的薄膜晶相、显微形貌、化学成分、键性和相变进行了表征，采用铁电测试仪和振动样品磁强计分别测试了薄膜的铁电和铁磁性能。首先，对不同络合物溶胶．凝胶法制备的BiFe03薄膜以及溶胶浓度进行了深入研究，得出以下结论

3、：(1)未添加络合剂的溶胶金属离子间由于分散不均，烧结过程中易产生Bi2Fe409和一些弥散峰的混合相。(2)柠檬酸络合物BiFeO，凝胶中络合物分子之间主要通过酯化缩聚形成的聚合物网络及氢键相互联接；尿素络合物BiFe03凝胶中分子之间主要以胺基缔合的方式联接；乙酰丙酮络合物BiFe03凝胶中主要以氢键联接。理想的络合物凝胶结构应该是络合物分子之间以更多的化合键结合形式相联，以柠檬酸和尿素为络合剂的BiFe03薄膜化学键络合能力强，可更好地实现各组分的均匀分散。(3)络合剂的加入量对薄膜形态有很大影响，尿素由于具有小的分子量和较好的络合性能，不易出现裂纹更适用于制备薄膜，当

4、尿素与BiFe03摩尔浓度比为1：l时，可制得形态良好，表面平整的BiFe03薄膜。(4)0．3mol／L的前驱液浓度制得的薄膜和衬底之间结合牢固，表面光滑平整。当前驱液浓度小时，在表面生成一些孤立的“小岛’’；前驱液浓度大时，易导致膜面的分布不均匀及出现裂纹。其次，对BiFe03薄膜的成膜及热处理工艺进行了研究，结果表明：旋涂法参数设置为4000r／min～，20s得到的湿凝胶薄膜比较均匀。由DTA—TG得出的升温制度为：以30C／rain的速率升温在200℃、300℃、400℃分别进行3次阶段性保温，保温时间分别为10分钟，然后以10℃／min的速率在600℃的范围内进行

5、烧结20min，BiFe03居里温度Tc=856℃。XRD结果表明450℃退火下，BiFeO，晶粒开始生长，并伴有杂相生成；烧结温度的升高可消除薄膜中的杂相并使晶粒长大；在550℃退火保温下可获得纯净的BiFe03相，温度继续升高到600℃，晶粒不再长大，平均尺寸约为25nm，膜表面平整，厚度较为均匀约1．47txm。室温下BiFe03的磁极化率为正值，宏观表现为顺磁性，且随着退火温度升高磁化率增大。BiFe03薄膜的零场磁化率xaf随温度的降低而单调下降，显示出反铁磁结构特性；其磁滞回线随着退火温度的升高，自发磁化强度明显降低。600℃退火后的BiFe03薄膜，可在室温下观

6、察到电滞回线，在15V的测试电压下，^和勖分别为0．28I．tC／cm2，12．2kv／cm～。最后，对BiFe03的镧掺杂进行了研究，结果表明：镧的最佳掺入量为10m01％，La的引入使Bil_xLaxFe03薄膜晶粒沿(110)晶面择优取向，晶胞减小。室温下，薄膜的磁化强度为O．893emu／cm～，比未掺杂的高八倍。在IOV的测试电压下，尸，为O．761xC／em2，La离子的掺杂减少了漏导，使BiFe03薄膜的剩余极化增加。关键词：BiFe03，磁电薄膜，溶胶．凝胶法，无机盐络合，La掺杂llSTUDYoNPREPARATIONoFBiFe03MAGNEToELECT

7、RICITYTHINFILMANDTHEDoPINGoNITABSTRACTBiFeOa，oneofveryfewsingle．phasemultife：rroicsexhibitsrhombohedrallydistortedperovskitestructureandhasantiferromagneticorderingwithNeel一一●●-●●⋯-temperature(蹦ofabout370℃andferroelectricpropertieswithahi曲Curietemperatur