錳摻雜的BiFeO-,3-鐵電薄膜的制備與性能研究.pdf

1、作為一種無(wú)鉛的多鐵性材料，BiFeO3(BFO)由于其在室溫下同時(shí)存在鐵電性和反鐵磁性，引起了人們的極大的興趣。具有優(yōu)異性能的多晶和外延的BFO薄膜已被激光脈沖沉積，磁控濺射以及化學(xué)氣相沉積法制備成功，其剩余極化強(qiáng)度(Pr)達(dá)到了100μC/cm2。然而，對(duì)于金屬有機(jī)分解法(MOD)，在室溫下具有大的剩余極化強(qiáng)度(Pr＞60μC/cm2)的飽和電滯回線的BFO薄膜一直沒(méi)有被成功制備出來(lái)，這主要是因?yàn)?，采用MOD法制備的BFO薄膜的漏電流

2、密度較高并且矯頑場(chǎng)較大。因此，如何控制漏電流和降低矯頑場(chǎng)是提高BFO薄膜性能并使其能在器件中應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。離子摻雜，包括Bi位上摻雜鑭系元素和Fe位上摻雜過(guò)渡族元素，被報(bào)道能有效的改善BFO的漏電問(wèn)題，并能在一定程度上降低BFO薄膜的矯頑場(chǎng)。本論文采用鐠(Pr)和錳(Mn)為摻雜元素，從制備工藝，缺陷，結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系等方面對(duì)MOD制備的BFO基鐵電薄膜進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。 主要研究?jī)?nèi)容如下： 1，研究了在BFO的Fe

3、位上摻入Mn離子對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能的影響，結(jié)果表明：(1)隨著Mn摻雜量的增加，薄膜的(012)峰的相對(duì)強(qiáng)度逐漸增加，(024)峰逐漸向高角度移動(dòng)。(2)Mn的摻雜會(huì)抑制BFO的晶粒的生長(zhǎng)。(3)隨著Mn含量的增加，薄膜的漏電流密度逐漸增加。(4)與BFO中的Fe2+含量相比，Mn的摻雜能有效的抑制Fe2+離子的產(chǎn)生。(5)5％Mn摻雜的BFO薄膜具有較好的鐵電性能，其剩余極化和矯頑場(chǎng)分別為75±3μC/cm2和380±5kV/cm。(6)

4、盡管Mn的摻雜會(huì)使BFO從菱方相向四方相轉(zhuǎn)變，但在Mn含量小于7％的BFO中，自發(fā)極化方向依然是接近體對(duì)角線。 2，討論了退火方式(即，逐層退火工藝和傳統(tǒng)退火工藝)對(duì)5％Mn摻雜的BFO薄膜的電學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)：(1)采用逐層退火沉積的薄膜的致密度較好。(2)與采用傳統(tǒng)退火工藝沉積的薄膜相比，逐層退火制備的薄膜具有較大剩余極化強(qiáng)度，但其矯頑場(chǎng)表現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱性。(3)通過(guò)對(duì)比研究?jī)煞N退火方式制備的薄膜的電滯回線，發(fā)現(xiàn)薄膜中應(yīng)

5、力引發(fā)的鐵電疇的取向擇優(yōu)是非對(duì)稱矯頑場(chǎng)出現(xiàn)的起因。薄膜在熱處理過(guò)程中的老化使得矯頑場(chǎng)的非對(duì)稱變得更加嚴(yán)重。 3，系統(tǒng)研究了Pr摻雜(摻量為10％-20％)對(duì)BiFe0.95Mn0.0503薄膜電學(xué)性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1)在14％Pr摻雜的BiFe0.95Mn0.0503薄膜中觀測(cè)到最大的剩余極化強(qiáng)度和介電常數(shù)。(2)當(dāng)Pr的摻雜量高于16％時(shí)，薄膜表現(xiàn)出雙電滯回線的特征。(3)由于Pr摻雜引起的晶格的畸變，準(zhǔn)同晶相界有可