鐵氧體和氧化鋅薄膜的溶液法制備、結構與性質(zhì).pdf

1、隨著現(xiàn)代通訊技術的迅猛發(fā)展，電子元器件的小型化、集成化、高頻化必將使尖晶石型鐵氧體薄膜大有用武之地。高密度垂直磁記錄介質(zhì)、薄膜磁頭、薄膜變壓器、薄膜電感器，多層膜器件以及生物工程、醫(yī)療診斷技術、磁性藥物的發(fā)展將進一步加快鐵氧體薄膜研究的步伐。尖晶石型鐵氧體的結構和磁性質(zhì)取決于摻雜離子的自身特性、濃度、占位以及制備方法。傳統(tǒng)的鐵氧體薄膜制備工藝中，材料的晶化需要在高溫下進行(＞600℃)，使得鐵氧體薄膜不適合在耐熱性較差的基底材料(如聚脂

2、膜、聚合物顆粒、GaAs集成電路等)上沉積。目前低溫合成尖晶石型鐵氧體薄膜的主流方法是旋轉噴涂法，但是這一方法存在制備過程復雜、浪費反應液等缺點，而且旋轉噴涂法制備樣品過程中溶液pH值較高，很容易優(yōu)先生成氫氧化鐵之類的沉淀物。Izaki發(fā)明的催化法可以克服上述困難，但是有關催化法的研究比較少，該方法目前僅能用來制備Fe3O4薄膜和成份單一的Fe0.16Zn2.84O4鐵氧體薄膜，這對催化法的推廣是不利的。
　　 本論文工作的第一

3、個創(chuàng)新點是采用催化法制備出了NiZnCo摻雜的尖晶石型鐵氧體薄膜并對其結構和性質(zhì)進行了細致研究：
　　 (1)采用催化法，在80℃條件下，通過控制Fe(NO3)3、Zn(NO3)2、Ni(NO3)2、Co(NO3)2反應物的濃度，首次在硝酸鹽和二甲基胺硼烷(DMAB)溶液中制備出了多組份摻雜的Ni0.11ZnxCo0.03Fe2.86-xO4(x=0.00、0.23、0.34、0.43和0.51)尖晶石型鐵氧體薄膜。Zn2+離子

4、易于沉積入薄膜中，制備過程中控制Zn2+離子的濃度尤為關鍵。
　　 (2)Ni0.11Zn0.51Co0.03Fe2.35O4薄膜是由40-50 nm的等軸顆粒組成。薄膜沉積1小時后，膜厚達到500 nm左右，表面較粗糙，從薄膜表面的最低谷到最高峰有200 nm的起伏。隨著Zn2+離子含量的增加，組成薄膜的顆粒變得均勻細小。
　　 (3)XRD譜分析表明，x從0增加到0.51，點陣常數(shù)從8.383(A)增大到8.425(

5、A)。由Scherrer公式計算出的晶粒尺寸在40 nm左右。隨著Zn2+離子含量的增加，680 cm-1波數(shù)處的Raman峰發(fā)生了移動而且逐漸寬化，該峰可擬合為波數(shù)在655和687 cm-1的兩個峰，他們分別歸屬于ZnO4和FeO4四面體的伸縮振動，證明Zn2+離子傾向于占據(jù)A位。
　　 (4)薄膜的磁性可以通過調(diào)節(jié)Zn2+離子含量來控制。x增加，飽和磁化強度先增大后減小，在x=0.35時，達到460 emu/cc的最大值，矯

6、頑力單調(diào)的從154 Oe降低到22 Oe。其原因是Zn2+離子取代A位的Fe3+離子，引起了A-O-B超交換相互作用的減弱以及A位、B位磁矩的變化。
　　 一維ZnO納米材料由于具有獨特的電學、光學、光電和壓電性質(zhì)以及在納米發(fā)電機、氣敏、發(fā)光二極管等領域的應用而引起人們的關注。大量的實驗證明，不同形貌、不同尺寸的ZnO納米結構具有不同的性質(zhì)?？煽睾铣刹煌囊痪SZnO納米結構，研究形貌、尺寸相關的性能是一項非常有意義工作。金屬有機

7、氣相沉積、氣相輸運以及水溶液等許多方法已被用來制備ZnO納米結構。其中物理法需要高溫、復雜的儀器并且產(chǎn)量低，而水溶液化學法制備過程簡單、能耗低并可大規(guī)模制備。到目前為止，采用Izaki的水溶液法，還沒有關于合成出ZnO納米針陣列、納米棒陣列、方尖塔陣列以及多晶膜的報道。
　　 本論文工作的第二個創(chuàng)新點是采用催化法制備出了多種一維ZnO納米結構并對其結構和性質(zhì)進行了細致研究：
　　 (1)采用催化法，調(diào)節(jié)Zn(NO3)2的

8、濃度，首次在Zn(NO3)2-DMAB溶液中制備出了ZnO納米針陣列、納米棒陣列以及ZnO多晶薄膜。低濃度Zn(NO3)2(2-15mM)條件下有利于得到ZnO納米針陣列。
　　 (2)將反應時間從1分鐘延長至96小時，低Zn(NO3)2濃度條件下ZnO納米結構依次經(jīng)歷了形成等軸晶粒、等軸晶粒到納米棒、納米棒到納米針、納米針的生長、納米針到方尖塔、方尖塔到六角柱的演變過程。生長過程是由ZnO自身的晶體學特性，溶液中Zn2+離子的

9、擴散方向以及生長熱力學等因素引起的。
　　 (3)TEM和XRD結果證明ZnO納米結構的生長方向是<0001>晶體學方向。通過SEM結果估算，得出單位薄膜面積內(nèi)針狀ZnO納米線陣列具有最大的表面積。XPS結果證明ZnO納米結構表面存在Zn(OH)2和O空位的表面態(tài)。
　　 (4)ZnO納米針陣列具有最大的可見光發(fā)射強度，這是由于ZnO納米針陣列表而具有最大數(shù)量的可見光發(fā)光中心。ZnO納米針陣列同時具有最高的光催化降解甲基