[發明專利]一種Tb、Cr 和Mn 三元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: 201310539492.7
• 申請日: 2013-11-04
• 公開（公告）號: CN103626237A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 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;C04B35/26;C04B35/624
• 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Tb、Cr和Mn三元共摻雜高剩余極化強度的BiFeO₃鐵電薄膜及其制備方法。

背景技術

近年來以BiFeO₃為代表的多鐵性化合物體系，已形成一個世界范圍的單相多鐵性磁電材料的研究熱潮。它在室溫下同時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)。因此BiFeO₃成為可廣泛應用于微電子學、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。

BiFeO₃薄膜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Tb、Cr和Mn三元共摻雜高剩余極化強度的BiFeO₃薄膜及其制備方法。本發明設備要求簡單，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，并且可通過多元摻雜大幅度提高薄膜的鐵電性能。

為了達到上述目的，本發明Tb、Cr和Mn三元共摻雜高剩余極化強度的BiFeO₃薄膜的制備方法，包括以下步驟：

1）將硝酸鉍、硝酸鐵、硝酸鋱、硝酸鉻和醋酸錳按(0.91-0.97):(0.98-x):(0.08-0.14):0.02:x的摩爾比溶于由乙二醇甲醚和醋酸酐混合而成的混合液中，然后攪拌均勻，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=0.01～0.04；

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8～13min，得到晶態BiFeO₃薄膜；

3）待晶態BiFeO₃薄膜冷卻后，再重復步驟2）直到晶態BiFeO₃達到所需厚度，即得到Tb、Mn和Cu三元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體積比為（1:1）～（4:1）。

所述的步驟1）中硝酸鉍、硝酸鐵、硝酸鋱、硝酸鉻和醋酸錳的摩爾比為0.94:（0.98-x）:0.11:0.02:x。

所述的步驟2）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6～12min。

一種采用所述的制備方法制備的Tb、Cr和Mn三元共摻雜高剩余極化強度的BiFeO₃薄膜的化學組分為Bi_0.89Tb_0.11Fe_0.98-xCr_0.02Mn_xO₃，x=0.01～0.04；具有扭曲鈣鈦礦結構，為三斜相結構，屬于P1空間群，剩余極化強度大于100μC/cm²。

x=0.02，該Tb、Cr和Mn三元共摻雜高剩余極化強度的BiFeO₃薄膜晶粒尺寸在80～120nm，介電常數在100kHz的測試頻率下為390。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：