BiFeO3薄膜溶液法制備及其取向和性能調(diào)控研究.pdf

1、鐵酸鉍(BiFeO3，BFO)由于同時具有室溫磁性和鐵電性，是一種較為理想的室溫單相多鐵材料，且其具有室溫下最大電極化強度，在諸多領(lǐng)域有著潛在的應用，近些年來受到人們廣泛關(guān)注。十余年來，對BFO基陶瓷、薄膜和納米結(jié)構(gòu)材料開展了廣泛的研究。由于BFO較大的漏電流特性，需要有效控制其缺陷才可以獲得較優(yōu)越的鐵電性和磁電耦合性能。前期報道表明在BFO薄膜中其缺陷能得到有效控制從而可以獲得優(yōu)越鐵電性能和磁電耦合性能;此外隨著電子器件微型化、輕量化

2、以及集成化的發(fā)展需要獲得滿足性能需求的BFO薄膜。
　　化學溶液沉積(Chemical Solution Deposition，CSD)法作為一類薄膜制備方法，具有成本低、前驅(qū)物原子級混合、適于在復雜形狀基片上成膜、可大規(guī)模制備大面積薄膜等優(yōu)勢。近些年，BFO薄膜CSD法研究方面取得了顯著進展，但采用CSD制備的BFO薄膜較物理法制備的薄膜而言性能較差，且通常為無取向的多晶薄膜，難以獲得性能較好的取向或者外延薄膜，從而限制了其實際

3、應用。
　　本論文采用CSD法在Si基片和LaAlO3(LAO)單晶基片上制備出高度擇優(yōu)取向以及外延的BFO薄膜，并對其取向生長機理及性能調(diào)控進行了系統(tǒng)研究。主要研究內(nèi)容如下:
　　1.BiFeO3(111)/Pt/Ti/SiO2/Si薄膜制備及性能研究。采用CSD法在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制備出了(111)擇優(yōu)取向BFO薄膜，研究了退火溫度對BFO薄膜的微結(jié)構(gòu)與性能的影響。結(jié)果表明，只有在原料為乙酸鹽，丙酸(PP

4、A)為溶劑，退火氣氛為N2的條件下才可獲得(111)取向的BFO薄膜。退火溫度在500-650℃范圍內(nèi)，可以獲得鐵電性能較為良好的BFO薄膜。隨退火溫度升高，晶格常數(shù)與晶粒尺寸逐漸增大，氧空位增多，剩余極化強度增大，但漏電流與矯頑電場也逐漸增大。當退火溫度低于500℃時，所獲BFO薄膜無法晶化;而當退火溫度高于650℃時，BFO薄膜中Bi揮發(fā)嚴重，出現(xiàn)雜相。
　　2.BiFeO3(001)/LaNiO3/Si薄膜制備及性能研究。在

5、Si(001)基片上采用CSD法制備出(001)取向的LaNiO3(LNO)底電極，并在其上誘導生長出高度擇優(yōu)取向的BFO(001)薄膜。研究了退火溫度對BFO薄膜的微結(jié)構(gòu)與鐵電性能的影響。結(jié)果表明，BiFeO3薄膜生長最佳退火溫度范圍在500-600℃之間，隨退火溫度升高，BFO薄膜的剩余極化強度增加，而矯頑電場基本保持不變。當溫度高于600℃時，LNO與BFO在LNO/BFO界面處發(fā)生互擴散/反應，進而影響B(tài)FO薄膜的微結(jié)構(gòu)與鐵電性

6、，
　　3.外延BiFeO3薄膜制備及性能研究。在(001)、(110)和(111)晶向的LAO單晶基片上，采用CSD法沉積SrRuO3(SRO)薄膜作為底電極，再在SRO/LAO上采用CSD法制備出外 BFO薄膜。探討了BFO薄膜的外延生長機理及其鐵電性對取向的依賴關(guān)系結(jié)果表明，BFO薄膜受基片的晶格常數(shù)和取向的影響，薄膜沿基片異質(zhì)外延生長。BFO外延薄膜的鐵電性表現(xiàn)出各項異性，(111)取向的BFO薄膜剩余極化強度與矯頑電場最

7、大，而(001)取向的BFO薄膜介電常數(shù)最大。
　　4.Mn摻雜外延BiFeO3薄膜制備及性能研究。通過Mn摻雜，以達到改善BFO薄膜的磁性與鐵電性的目的。結(jié)果表明，隨著Mn摻雜濃度的增加，薄膜漏電流逐漸增大。同時其漏電導電機制發(fā)生變化，未摻Mn時，在低電場區(qū)域為歐姆導電行為，在高電場區(qū)域為界面限制的Fowler-Nordheim隧穿導電行為;而有Mn摻雜時，電極與薄膜之間的接觸為Schottky接觸，界面控制電荷注入，在界面處S