Bi1-xRExFe1-yTMyO3-NiFe2O4(RE=Sm,SrTM=Cr,Mn)薄膜的制備及多鐵性研究.pdf

1、BiFeO3(BFO)是極少數(shù)在室溫下同時(shí)具有鐵電和鐵磁性的多鐵材料之一，其鐵電居里溫度和反鐵磁奈爾溫度分別為TC=1103 K和TN=647 K。由于其在非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器，傳感器和磁電耦合設(shè)備等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值，因此在最近幾年受到人們的極大關(guān)注。但是其弱鐵磁性的本質(zhì)和因大漏導(dǎo)而引起的小鐵電性一直阻礙著其實(shí)際的應(yīng)用。
　　本課題采用溶膠-凝膠法在 FTO玻璃基板上制備了 BiFe1-xMnxO3(BFMxO)，BiFe0.96

2、Mn0.04CrxO3(BFMCxO)，Bi1-xSmxFe0.96Mn0.04Cr0.02O3(BSxF-MCO)，Bi0.89-xSrxSm0.11Fe0.96Mn0.04Cr0.02O3(BSrxSFMCO)和Bi1-xRExFe1-yTMy-O3/NiFe2O4(RE=Sm, Sr;TM=Cr, Mn)復(fù)合薄膜，并研究了其結(jié)構(gòu)，漏電機(jī)制、介電、鐵電和鐵磁性能。主要結(jié)論如下：
　　(1) Mn2+摻雜BiFe1-xMnxO3

3、薄膜中，Mn2+摻雜可以誘導(dǎo)BFO薄膜發(fā)生一定的結(jié)構(gòu)相變，從純相BFO薄膜試樣的三方相轉(zhuǎn)變?yōu)锽FMx=0.04O薄膜試樣中三方和四方相共存。此外，Mn2+摻雜可以有效地降低BFMxO薄膜試樣的漏電流密度，由純相BFO的10-3 A/cm2降低到BFMxO的10-5~10-6 A/cm2。在BFMx=0.04O薄膜試樣中獲得較大的鐵電剩余極化強(qiáng)度值Pr=76.20μC/cm2和鐵磁飽和磁化強(qiáng)度值Ms=4.45 emu/cm3，且Mn離子在

4、BFMx=0.04O薄膜試樣中以Mn4+/2+的混合價(jià)態(tài)存在，降低了薄膜中Fe2+離子的濃度。
　　(2) BiFe0.96Mn0.04CrxO3薄膜中，Cr摻雜可以進(jìn)一步誘導(dǎo)BFMCxO薄膜試樣的晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生畸變，從而引起相變，還有阻礙晶粒生長(zhǎng)發(fā)育的趨勢(shì)。Cr離子摻雜可以進(jìn)一步改善BFMCxO薄膜試樣的鐵電性，在727 kV/cm的外加電場(chǎng)作用下，BFMCx=0.02O薄膜試樣獲得最大的剩余極化強(qiáng)度Pr=102.65μC/cm2

5、。但Cr離子卻會(huì)一定程度降低BFMCx=0.02O薄膜試樣的鐵磁性，其飽和磁化強(qiáng)度值為1.05 emu/cm3，這是因?yàn)镃r離子摻雜可能會(huì)破壞薄膜中原有的Mn團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，同時(shí)會(huì)阻礙電子和空穴強(qiáng)的局域化與Mn離子之間的短程相互接觸作用，使得薄膜試樣出現(xiàn)磁性減弱的現(xiàn)象。同時(shí)，BFMCx=0.02O薄膜試樣中Mn離子以Mn2+/3+的混合價(jià)態(tài)存在，Cr離子以Cr3+/6+的混合價(jià)態(tài)存在，且Cr離子可以進(jìn)一步降低薄膜中Fe2+離子的濃度。

6、　　(3) Bi1-xSmxFe0.96Mn0.04Cr0.02O3薄膜試樣中，相比于BFMCO薄膜試樣， Sm摻雜可以進(jìn)一步降低BSxFMCO薄膜的泄漏電流密度，并能提高其抗直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度到363 kV/cm。在BSx=0.11FMCO薄膜試樣同時(shí)獲得了優(yōu)于BFMCO薄膜試樣的鐵電和鐵磁性，其鐵電剩余極化強(qiáng)度值為 Pr=89.42μC/cm2，鐵磁飽和磁化強(qiáng)度值為1.22 emu/cm3。此外，BSx=0.11FMCO薄膜

7、試樣中Mn離子以Mn4+/2+的混合價(jià)態(tài)存在，Cr離子以Cr3+/6+的混合價(jià)態(tài)存在，其Fe2+離子的濃度小于純相BFO薄膜試樣，高外加電場(chǎng)下的漏導(dǎo)機(jī)制為表面限制的F–N傳導(dǎo)機(jī)制。
　　(4) Sr2+摻雜不僅誘導(dǎo)了薄膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，而且促進(jìn)了晶粒發(fā)育，同時(shí)降低BSrxSFMC薄膜的漏電流密度(其漏電流密度為10-6 A/cm)，改善其抗擊穿場(chǎng)強(qiáng)(其抗直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)為630 kV/cm)。x=0.04的薄膜樣品測(cè)得最佳的介電、鐵電

8、和鐵磁性。1 kHz測(cè)試頻率下的介電常數(shù)εr=290，外加電場(chǎng)強(qiáng)度為727 kV/cm、測(cè)試頻率1 kHz時(shí)的剩余極化強(qiáng)度2Pr=173.43μC/cm2，飽和磁化強(qiáng)度Ms=2.3 emu/cm3。
　　(5) BiFeO3薄膜中，多元素比單元素?fù)诫s更易誘導(dǎo)薄膜中相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，隨著摻雜離子種類的增多，薄膜試樣中的四方相結(jié)構(gòu)逐漸增多，且所有薄膜試樣都有沿(110)晶面的擇優(yōu)趨向。進(jìn)行 Fe-位Mn和(Mn, Cr)摻雜有利于薄膜試

9、樣晶粒的發(fā)育，對(duì)應(yīng)薄膜試樣的晶粒尺寸較大，而Bi-位Sm和(Sm, Sr)離子摻雜能誘導(dǎo)薄膜晶粒細(xì)化，其對(duì)應(yīng)薄膜試樣的晶粒尺寸小于Fe-位摻雜薄膜試樣的晶粒尺寸。BSrx=0.04SFMCO薄膜試樣獲得最優(yōu)的鐵電性和鐵磁性。
　　(6)多種類元素離子摻雜和強(qiáng)磁性尖晶石 NiFe2O4薄膜層復(fù)合而得到的Bi1-xRExFe1-yTMyO3/NiFe2O4復(fù)合薄膜可以同時(shí)改善薄膜鐵電性和磁性。在BSrSFMCO/NFO薄膜試樣中觀測(cè)到