自組裝單分子膜和紫外光誘導(dǎo)生長(zhǎng)BiFeO3薄膜及多鐵性研究.pdf

1、多鐵材料由于同時(shí)具有可逆轉(zhuǎn)的電有序和電子自旋有序而受到研究者的廣泛關(guān)注。它能很好的調(diào)和現(xiàn)在以半導(dǎo)體器件為主的信息工業(yè)社會(huì)所存在的幾大瓶頸問題，有望成為下一代信息元器件的主要制備材料。特別是作為唯一在室溫下同時(shí)具有自發(fā)鐵電有序和自發(fā)反鐵磁有序的單相多鐵材料，BiFeO3由于其廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景而受到研究者的青睞，成為多鐵材料研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。
　　 本課題以硝酸鐵(Fe(NO3)3·9H2O)、硝酸鉍(Bi(NO3)3·5H2O

2、)為原料，檸檬酸(C6H8O7·H2O)為絡(luò)合劑，冰醋酸(CH3COOH)為反應(yīng)控制劑，采用OTS自組裝單層膜技術(shù)和紫外光的修飾作用逐層反向誘導(dǎo)吸附制備BiFeO3薄膜。討論了自組裝單層膜技術(shù)反向吸附誘導(dǎo)生長(zhǎng)BiFeO3薄膜的機(jī)理，研究了逐層反向自組裝技術(shù)制備的單層和多層BiFeO3薄膜的物相結(jié)構(gòu)、形貌的差異，表征了逐層反向自組裝技術(shù)制備的多層BiFeO3薄膜的介電性能、鐵電性能和鐵磁性能。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:
　　 (1)

3、研究了不同沉積方式及沉積工藝對(duì)單層BiFeO3薄膜的影響。在相同的條件下，正向沉積式自組裝單層膜技術(shù)和反向吸附式自組裝單層膜技術(shù)所制備的薄膜物相結(jié)構(gòu)一樣且都為純相。相比正向沉積而言，反向吸附技術(shù)由于是克服重力作用將小的絡(luò)合物粒子吸附在基板表面而避免了對(duì)大顆粒的吸附，整個(gè)吸附過程平穩(wěn)有序，所制備的薄膜表面致密、平整且厚度較小。在檸檬酸與鉍離子比為2∶1、醋酸含量為2vol％、沉積溫度為70℃和沉積時(shí)間為20h時(shí)，反向吸附式自組裝單層膜技術(shù)

4、制備的純相單層BiFeO3薄膜表面致密、平整，厚度約為40nm。
　　 (2)探討了自組裝單層膜技術(shù)反向吸附制備BiFeO3薄膜的機(jī)理。BiFeO3薄膜的生長(zhǎng)可以分為兩個(gè)過程。最初是由絡(luò)合物的羧基與功能化自組裝單層膜表面的羥基脫水縮合而形成單分子層膜，并在基板表面形成二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將整個(gè)基板完全覆蓋;隨后的成膜主要來自二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格處的毛細(xì)凝聚和分子間的范德華力。這種成膜機(jī)制表明了反向吸附式自組裝單層膜技術(shù)所制備的薄膜的厚度具有

5、很好的可控性。
　　 (3)研究了不同有機(jī)物去除方式和不同層數(shù)對(duì)所制備的多層BiFeO3薄膜的影響。紫外氧化(UVO)處理能防止裂紋的產(chǎn)生并提高薄膜的致密度，UVO處理40min時(shí)，可完全去除有機(jī)物。隨著薄膜層數(shù)的增加，薄膜與基板的界面逐漸清晰，界面層現(xiàn)象消失，BiFeO3薄膜的晶粒逐漸變大且結(jié)晶性能變好，但產(chǎn)生了Bi2O3等雜相。UVO處理所制備的15層BiFeO3薄膜的介電損耗在各個(gè)頻率段都最小(在頻率為10kHz時(shí)大小為0

6、.025)，其介電常數(shù)為125并表現(xiàn)出很小的介電色散，其耐電壓強(qiáng)度和剩余極化強(qiáng)度都達(dá)到最大，分別為150kV/cm和0.15μC/cm2。經(jīng)高溫氧化處理和UVO處理所制備的BiFeO3薄膜都沒有出現(xiàn)Fe2+且都顯示了弱的鐵磁性，剩余磁化強(qiáng)度分別為6.4emu/cm3和7.3emu/cm3，飽和磁化強(qiáng)度分別為42emu/cm3和58emu/cm3，矯頑力場(chǎng)分別為100Oe和80Oe。
　　 (4)通過調(diào)節(jié)鉍離子含量對(duì)多層BiFeO

7、3薄膜的成分控制進(jìn)行了研究。隨著鉍離子含量的減小，BiFeO3薄膜中Bi2O3相的含量呈先減小后增加的V型變化趨勢(shì)。Bi2O3由于其高的導(dǎo)電性而形成直流電導(dǎo)效應(yīng)，導(dǎo)致了BiFeO3薄膜的高的高頻介電損耗和低的耐電壓強(qiáng)度;在Bi3+含量的減少量為5％（相比于最初的Bi3+添加量）時(shí)，BiFeO3薄膜中Bi2O3相含量最低，通過K值法計(jì)算為0.329％;此時(shí)，薄膜的介電損耗最小(在頻率為1MHz時(shí)也僅為0.02)，介電常數(shù)為64且表現(xiàn)出非常