共摻雜BiFeO3基多鐵性陶瓷與薄膜的制備及性能研究.pdf

1、作為一種同時(shí)具有室溫鐵電和反鐵磁性的多鐵性材料，鐵酸鉍（BiFeO3）近年來(lái)得到了廣泛的關(guān)注，在自旋電子學(xué)、鐵電/磁性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、量子學(xué)電磁體和傳感裝置等方面顯示出潛在的應(yīng)用前景。盡管BiFeO3被認(rèn)為是最具潛力的多鐵性材料之一，但仍存在大的漏電流、小的磁化和極化強(qiáng)度等問(wèn)題。由于漏電流太大，BiFeO3很難獲得飽和的電滯回線和高的剩余極化強(qiáng)度，這涉及到氧缺陷的形成、Fe離子價(jià)態(tài)的漲落等因素。本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法進(jìn)行改良，制備出高

2、純度的BiFeO3基多鐵性陶瓷；以陶瓷為靶材，利用脈沖激光沉積法，制備出純相且具有室溫鐵磁性和鐵電性的高度取向薄膜。分別采用稀土金屬和3d過(guò)渡金屬取代A位的Bi3+和B位的Fe3+，研究共摻雜離子的組合、濃度及價(jià)態(tài)對(duì)陶瓷和薄膜的微結(jié)構(gòu)、漏電流、鐵電、介電及鐵磁性能的影響，并對(duì)疇結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察與分析，獲得了優(yōu)化的工藝參數(shù)；探討了此類(lèi)材料中影響磁、電性能的相關(guān)機(jī)制，為器件的研制提供參考依據(jù)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴在傳統(tǒng)固相反應(yīng)法的

3、基礎(chǔ)上，對(duì)陶瓷制備工藝進(jìn)行改良：一方面，通過(guò)添加過(guò)量的Bi2O3，抑制了Bi2Fe4O9雜質(zhì)相的形成，另一方面，通過(guò)添加濕化學(xué)反應(yīng)步驟，有效地去除了Bi25FeO40雜質(zhì)相，獲得了純相BiFeO3陶瓷的制備工藝。⑵對(duì)BiFeO3進(jìn)行A/B位共摻雜，分別利用稀土金屬和3d過(guò)渡金屬取代Bi3+和Fe3+，嘗試了Ca/Cr、Nd/Cr、La/Cr等共摻雜離子組合。結(jié)果表明，La/Cr共摻雜系列陶瓷中的雜質(zhì)相明顯減少，漏電和鐵磁性能得到明顯的改

4、善。⑶考慮到共摻雜涉及的離子種類(lèi)較多，微結(jié)構(gòu)和性能的變化較為復(fù)雜，因此為便于共摻雜樣品的制備和研究，首先制備了單一La摻雜的Bi1-xLaxFeO3（10 at％≤x≤20 at%）系列純相陶瓷。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)工藝的微調(diào)，進(jìn)一步制得了La/Cr共摻雜的Bi1-xLaxFe0.9Cr0.1O3（10 at%≤x≤20 at%）系列陶瓷。樣品的相結(jié)構(gòu)從菱方R3c晶系逐漸向三斜P(pán)1晶系轉(zhuǎn)變。Fe離子以Fe2+/Fe3+的混合價(jià)態(tài)存在，F(xiàn)e3

5、+所占的比例隨著La含量的增加而逐漸提高，意味著樣品中的氧空位濃度減小，從而使漏電性能得到了明顯的改善。晶格畸變和結(jié)構(gòu)相變破壞了BiFeO3的螺旋擺線型磁結(jié)構(gòu)，同時(shí)B位摻雜的Cr3+與Fe3+離子之間產(chǎn)生了以氧離子為媒介的鐵磁超交換作用，使得樣品的磁性能顯著提高。⑷采用脈沖激光沉積（PLD）法，在Pt(111)/Ti/SiO2/Si襯底上制備了La/Cr共摻雜的Bi1-xLaxFe0.9Cr0.1O3（10 at%≤x≤20 at%）系