鑭系元素摻雜對BiFeO3薄膜結構和性能的影響.pdf

1、BiFeO3是少數(shù)在室溫下能同時觀察到鐵電性(居里溫度Tc～850℃)和鐵磁性(尼爾溫度TN～370℃)的單相多鐵性材料之一，其理論剩余極化值最大約為100μC/cm2，同時在BiFeO3薄膜材料中曾經(jīng)觀察到較大的壓電響應，這使其在數(shù)據(jù)存儲及微機電系統(tǒng)中具有非常廣泛的應用前景。然而，采用化學溶液法制備的BiFeO3薄膜存在嚴重的漏電問題，造成了其本征的電學性能很難被測試到。大量實驗研究證明，鑭系元素摻雜能夠很好的解決BiFeO3薄膜的漏

2、電問題并在一定程度上降低其矯頑場。近年來，F(xiàn)ujino等人在Bi0.86Sm0.14FeO3薄膜中發(fā)現(xiàn)準同型相界并觀察到較大的壓電響應(～95pm/V)，人們逐漸將目光轉移到對鑭系元素摻雜導致BiFe03薄膜結構轉變的研究上來。由于離子半徑的差異，不同鑭系元素對BiFeO3薄膜結構和性能的影響也不同，本文中采用金屬有機分解法結合層層退火工藝，研究了不同Nd摻量對BiFeO3薄膜結構和性能的影響，主要研究內容如下:
　　 為了便于

3、觀察到準同型相界，首先在LaNiO3(100)/Si襯底上制備了較高鑭系元素摻量的Bi1-xNdxFeO3(x=0.10～0.16)薄膜，研究了Nd摻雜量對BFO薄膜結構和壓電性能的影響。結果表明，Bi1-xNdxFeO3薄膜均有很強的(100)和(200)衍射峰，薄膜的剩余壓電系數(shù)隨著摻量的增加先增大后減小，并在x=0.14時取得最大值約148pm/V，另外，Bi1-xNdxFeO3薄膜的壓電響應均勻性Nd摻量為14％附近突然變差，由

4、此可見，雖然在較高的鑭系元素摻量下能夠觀察到較大的壓電響應，但是壓電響應的均勻性較差，這將阻礙BiFeO3薄膜在未來壓電器件中的應用。另外在陳等人報道的Tb摻雜的BiFeO3薄膜中觀察到隨著Tb摻雜量的增加BiFeO3薄膜的剩余極化單調遞減。這表明在較高的鑭系元素摻量下同時獲得良好的鐵電和壓電性能是十分困難的。
　　 在LaNiO3(100)/Si襯底上制備了較低的鑭系元素摻雜量的Bi1-xNdxFeO3(x=0.01～0.04

5、5)薄膜，分別對其結構、鐵電和壓電性能進行了研究。結果表明，Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜的漏電流最低，剩余極化值最大約60.2μC/cm2。隨著Nd摻雜量的增加Bi1-xNdxFeO3薄膜的壓電響應先增大后減小，并在x=0.03處，薄膜剩余壓電系數(shù)最大約160pm/V，這比陳等人在Bi0.89Tb0.11FeO3薄膜中觀察到的剩余壓電系數(shù)大14％。更重要的是，Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜具有最佳的壓電響應均勻性。Bi0.

6、97Nd0.03FeO3薄膜微觀保持性結果顯示，極化的Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜放置20小時后的剩余壓電系數(shù)相對于剛極化的薄膜而言增加了6.8％，這造成壓電響應均勻性略微下降，說明該薄膜具有穩(wěn)定的壓電響應。
　　 為了進一步確定Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜的結構，我們在LaAlO3(001)襯底上制備了外延Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜，并采用同步輻射X射線衍射對其結構進行分析，結果顯示，該薄膜中呈現(xiàn)少見

7、的多疇結構，其晶體結構為單斜(Ma)相，說明存在結構轉變。
　　 基于Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜中大的穩(wěn)定的壓電響應，我們研究了Bi過量及預處理溫度對Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜結構的影響。在ITO/glass襯底上制備了Bi過量為O，10％，20％,30％及預處理溫度為375℃,400℃,425℃,450℃的Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜，結果顯示，(110)-和(012)-取向的晶粒存在競爭性生長模式

8、，在同一預處理溫度下，Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜的結晶取向隨著鉍過量的增加逐漸由(110)方向轉移到(012)方向，當鉍過量高于20％時，所有薄膜的X射線衍射峰中出現(xiàn)Bi2O3相，在沒有鉍過量的條件下，Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜中(110)的峰強隨著預處理溫度的升高而增加，而(012)的峰強剛好相反。當預處理溫度為400℃鉍過量為10％時，Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜的晶化程度最好。
　　 綜上所述，