[發(fā)明專利]溶膠凝膠法制備Tb 和Cr 共摻雜的高剩余極化強(qiáng)度的BiFeO3 薄膜的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210441974.4
• 申請(qǐng)日: 2012-11-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103058646A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 談國(guó)強(qiáng);董國(guó)華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 陜西科技大學(xué)
• 主分類號(hào): C04B35/453
• 分類號(hào): C04B35/453;C04B35/624
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 蔡和平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于功能材料領(lǐng)域，涉及在功能化的FTO/glass基板表面制備Tb和Cr共摻雜的高剩余極化強(qiáng)度的BiFeO₃薄膜的方法。

背景技術(shù)

BiFeO₃是少數(shù)的單相多鐵材料之一，具有扭曲的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(屬于R3c點(diǎn)群)，由立方結(jié)構(gòu)沿(111)方向拉伸而形成的一種偏離理想鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的菱形結(jié)構(gòu)，在室溫下同時(shí)具有鐵電有序和反鐵磁有序，由于具有較高的鐵電相變溫度(T_C=1103K)和磁相變溫度(T_N=643K)，在磁電傳感器，自旋電子器件，存儲(chǔ)器等方面有廣泛的應(yīng)用前景而得到關(guān)注。

目前用于制備BiFeO₃薄膜的方法有很多，如化學(xué)氣相沉積法(CVD)、磁控濺射法(rf?magnetron?sputtering)、金屬有機(jī)物沉積法(MOD)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)、液相沉積法（LPD）、分子束外延法(MBE)、脈沖激光沉積法(PLD)等。

BiFeO₃薄膜最大的問(wèn)題就是低電阻率，無(wú)法在室溫下測(cè)量其鐵電性質(zhì)。BiFeO₃薄膜電學(xué)性質(zhì)的表現(xiàn)往往受到Fe³⁺離子價(jià)位變化的影響。一方面，鐵價(jià)態(tài)的波動(dòng)使得多余空穴的形成，從而造成電阻的下降；另一方面，鐵離子由+3價(jià)變成+2價(jià)，在電位補(bǔ)償下形成氧空位，進(jìn)一步造成漏電。此外，由于鉍熔點(diǎn)較低，熱處理時(shí)造成揮發(fā)，從而造成材料中形成許多缺陷，形成一些不純相。例如Bi₂O₃，Bi₂Fe₄O₉，Bi₂₅FeO₄₀等，使電阻下降。這些缺點(diǎn)都大大地限制了其應(yīng)用。

近幾年來(lái)，人們通過(guò)各種途徑來(lái)提高BiFeO₃基體的多鐵性能，一種特別有效的途徑就是摻雜改性。對(duì)于ABO₃型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系來(lái)說(shuō)，由于結(jié)構(gòu)決定了其物性，A位離子和B位離子的元素替代可實(shí)現(xiàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)的調(diào)整，并最終達(dá)到改變性能的目的。對(duì)于一些鐵電體來(lái)說(shuō)，稀土元素離子的替代可以有效地改善其鐵電性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種溶膠凝膠法制備Tb和Cr共摻雜的高剩余極化強(qiáng)度的BiFeO₃薄膜的方法，該種方法能夠制備出飽和剩余極化強(qiáng)度可達(dá)80.8μC/cm²，且具有良好鐵電穩(wěn)定性的BiFeO₃薄膜。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種溶膠凝膠法制備Tb和Cr共摻雜的高剩余極化強(qiáng)度的BiFeO₃薄膜的方法，包括以下步驟：

步驟1：將Bi(NO₃)₃·5H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O、Tb(NO₃)₃·6H₂O和Cr(NO₃)₃·9H₂O按摩爾比0.94∶1-x∶0.11∶x溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液中得到混合溶液，向混合溶液中加入乙醇胺以得到穩(wěn)定的BiFeO₃前驅(qū)液，BiFeO₃前驅(qū)液中總的金屬離子濃度為0.3mol/L；其中，x=0.01～0.03，混合液中乙二醇甲醚和醋酸酐的體積比為3∶1～4∶1；

步驟2：采用旋涂法和逐層退火的工藝得到Tb和Cr共摻晶態(tài)的BiFeO₃薄膜。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，還包括步驟3：重復(fù)步驟2得到需要厚度的BiFeO₃薄膜。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，逐層退火工藝為逐層550℃快速退火7~12min,再隨爐冷卻至室溫。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟1中x=0.02。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述Tb和Cr共摻晶態(tài)的BiFeO₃薄膜中包括共存的菱形結(jié)構(gòu)晶格和偽四方結(jié)構(gòu)晶格，即出現(xiàn)準(zhǔn)同型相界（MPB）。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：