[發明專利]一種B位Mn和Cu共摻雜高剩余極化強度的BiFeO3 薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201310539466.4
• 申請日: 2013-11-04
• 公開（公告）號: CN103613144A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發明（設計）人: 談國強;董國華;羅洋洋
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: C01G49/00
• 分類號: C01G49/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明屬于功能材料領域，具體涉及一種B位Mn和Cu共摻雜高剩余極化強度的BiFeO₃薄膜及其制備方法。

背景技術

BiFeO₃是少數在室溫下同時具有鐵電和鐵磁性能的單相多鐵材料之一，具有扭曲的鈣鈦礦結構，同時具有鐵電性（居里溫度為830℃）和反鐵磁性（尼爾溫度為370℃）。隨著人們對電子器件的小型化要求越來越高，對于這種同時具有多種功能的單相材料的研究得到人們的重視。因此BiFeO₃成為可廣泛應用于在新型存儲器件、自旋電子器件、微電子學、光電子學、集成光學和微電子機械系統等領域的重要功能材料。

然而目前限制BiFeO₃薄膜應用的最大的問題就是低電阻率，無法在室溫下測量其鐵電性質。一方面，傳統的慢速退火工藝制備BiFeO₃時，氧空位在高溫退火下達到動態平衡，當退火過程結束，部分氧空位滯留其中，形成氧空位的聚集，引起氧劑量的偏移，這種偏移使得鐵價態發生波動(Fe³⁺轉化為Fe²⁺)。鐵價態的波動導致大的漏導，從而使BiFeO₃漏電流較大，由于大的漏導使其鐵電性無法正確測量而獲得飽和極化。另一方面，BiFeO₃本身具有的低介電常數和低電阻率等性質致使很難觀測到電滯回線。這些特點都大大地限制了其應用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種B位Mn和Cu共摻雜高剩余極化強度的BiFeO₃薄膜及其制備方法，該方法設備要求簡單，實驗條件容易達到，制備的薄膜均勻性較好，摻雜量容易控制，制得的Mn和Cu共摻雜的BiFeO₃薄膜的具有良好的鐵電性能。

為了達到上述目的，本發明制備B位Mn和Cu共摻雜高剩余極化強度的BiFeO₃薄膜的方法，包括以下步驟：

1）將硝酸鉍、硝酸鐵、醋酸錳和硝酸銅按1.05:[(0.92～0.98)-x]:(0.02～0.08):x的摩爾比溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液中攪拌均勻，得到BiFeO₃前驅液；其中，BiFeO₃前驅液中總的金屬離子濃度為0.1～0.5mol/L，x=0.01～0.03；

2）將BiFeO₃前驅液旋涂在FTO/glass基片上制備濕膜，將濕膜于180～260℃烘烤得干膜，然后在550℃快速退火10～15min，即得晶態BiFeO₃薄膜；

3）待晶態BiFeO₃薄膜冷卻后重復步驟2）使晶態BiFeO₃薄膜達到所需厚度，即得B位Mn和Cu共摻雜高剩余極化強度的BiFeO₃薄膜。

所述的步驟1）混合液中乙二醇甲醚和醋酸酐的體積比為(1:1)～(4:1)。

所述的步驟1）中硝酸鉍、硝酸鐵、醋酸錳和硝酸銅的摩爾比為1.05:（0.96-x）:0.04:x。

所述的步驟2）中將BiFeO₃前驅液旋涂在FTO/glass基片上前，BiFeO₃前驅液靜置24～32h。

所述的步驟2）中濕膜的烘烤時間為5～10min。

一種采用所述方法制備的Mn和Cu共摻雜高剩余極化強度的BiFeO₃薄膜的化學組分為BiFe_0.96-xMn_0.04Cu_xO₃，x=0.01～0.03；具有扭曲鈣鈦礦結構，為菱方結構，R3c和R3m空間群共存狀態，剩余極化值Pr>120μC/cm²，矯頑場強在350kV/cm以下。

x=0.02，該B位Mn和Cu共摻雜高剩余極化強度的BiFeO₃的薄膜晶粒尺寸在120～200nm。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：