鐵酸鉍系列多鐵材料的制備及電性能研究.pdf

1、近年來，多鐵材料引起了人們的極大興趣。其中，BiFeO3(BFO)由于在室溫下同時(shí)具有鐵電性和弱鐵磁性，被認(rèn)為在信息存儲、集成電路、磁傳感器以及自旋電子器件等方面有誘人的應(yīng)用前景。
　　 本文采用優(yōu)化的固相燒結(jié)工藝，制備出純相的BFO陶瓷。在對Bi2O3-Fe2O3二元體系的相圖和熱重－差熱分析(TG-DTA)的基礎(chǔ)上，以固相燒結(jié)作為核心的工藝流程，確定了制備純相、平整、光滑的BFO陶瓷大靶的優(yōu)化工藝。另外，本文以制備出的陶瓷為

2、靶材，采用射頻磁控濺射工藝在Pt(111)/Ti/SiO2/Si(001)襯底上沉積BFO薄膜，研究了退火條件對薄膜結(jié)構(gòu)的影響，在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，找到最佳的磁控濺射BFO薄膜的工藝流程。
　　 本論文系統(tǒng)研究了B位Ti摻雜對BFO陶瓷和薄膜性能的影響。隨著Ti摻量的增加，BFO陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)逐漸向斜方變化，晶粒尺寸越來越小，鐵電-順電相變溫度(Tc)逐漸降低。摻Ti后BFO材料的漏電流減小，剩余極化值增大。Ti摻雜后，BFO薄

3、膜的微觀形貌、漏電流、剩余極化和疲勞性都得到改善。Ti摻雜量為10%時(shí)薄膜樣品的電性能最好，在200kV/cm電場下，漏電流密度僅為；在500kV/cm的電場下，剩余極化2Pr為21.02μc/cm2；經(jīng)過3×109次極化反轉(zhuǎn)后，剩余極化值仍然在初始值的90%以上。
　　 本論文首次系統(tǒng)研究了A位Dy摻雜對BFO陶瓷和薄膜性能的影響。當(dāng)Dy含量為20%時(shí)，BFO陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)明顯變化。隨著Dy摻量增加，晶粒尺寸越來越小，鐵電-順

4、電相變溫度(Tc)逐漸降低。Dy摻量為10%時(shí)陶瓷的漏電流最小，剩余極化值最大。Dy摻雜量為10%時(shí)，薄膜樣品的電性能最好，在200kV/cm電場下，漏電流密度僅為，；在300kV/cm的電場下，剩余極化2Pr為13.33μc/cm2。
　　 結(jié)合前面的研究，本論文還對BFO陶瓷進(jìn)行A、B位同時(shí)摻雜，研究了A、B位共摻的BFO陶瓷的性能。結(jié)果顯示，A、B位共摻抑制了不純相的生成，進(jìn)一步提高了BFO陶瓷的鐵電性能。最佳的摻雜方式和

5、摻量為A位Dy和B位Ti同時(shí)摻雜，摻量均為10%。另外，本論文還通過射頻磁控濺射，將A位摻雜BFO薄膜和B位摻雜BFO薄膜組成雙層膜，研究了該雙層膜的電性能，并對結(jié)果進(jìn)行了理論分析。
　　 最后，本論文還提出了一個(gè)具有退極化場的鐵電雙層膜模型。給出了有退極化場和無退極化場時(shí)極化的空間分布和電滯回線的圖象，研究了退極化場和界面耦合對二級相變鐵電雙層膜極化的影響。結(jié)果表明，鐵電耦合時(shí)，退極化的作用使各層的極化趨于更均勻，界面耦合對極

6、化的空間分布和電滯回線的形狀都有很大的影響；反鐵電耦合時(shí)，隨著反鐵電耦合的增強(qiáng)層內(nèi)的極化增大，但退極化場導(dǎo)致層內(nèi)極化的降低。當(dāng)退極化場相對于層間耦合較強(qiáng)時(shí)，反鐵電耦合的雙層膜的層內(nèi)極化取向一致。界面耦合和退極化場之間存在競爭關(guān)系。
　　 總而言之，本論文研究的主要結(jié)果和創(chuàng)新如下：
　　 1、獲得了制備BFO陶瓷的固相燒結(jié)較佳工藝條件。采用快速升溫、多次烘烤、單獨(dú)排膠和帶壓燒結(jié)等方法制備出了純相、致密、平整的BFO陶瓷。得

7、到了最佳摻雜方式和摻雜量: A位Dy與B位Ti共摻，摻量各為10%。
　　 2、采用射頻濺射工藝制備了BFO系列鐵電單層和雙層薄膜，探索了A位Dy摻雜、B位Ti摻雜薄膜的優(yōu)化工藝，制備出結(jié)構(gòu)均勻、鐵電性較強(qiáng)及漏電流密度小的BFO薄膜。
　　 3、提出了具有退極化場的鐵電雙層膜模型，得到了退極化場的表達(dá)式。研究發(fā)現(xiàn)退極化場和界面耦合對二級相變鐵電雙層膜自發(fā)極化的空間分布和電滯回線有重要影響，鐵電耦合時(shí)退極化場的作用使各層的