首页> 正文

BiFeO3薄膜的溶胶凝胶方法的制备、掺杂及电磁性质的研究

2020-11-22阅读(152)

BiFeO3薄膜的溶胶凝胶方法的制备、掺杂及电磁性质的研究

论文摘要

多铁材料又被称为磁电材料,是指在一定的温度范围内表现出共存的铁电有序和磁性有序的材料,该材料被认为同时在铁电和磁性器件方面具有重要的应用前景。因为磁性和铁电性的共存又使得多铁材料具有磁电效应,磁电效应在磁电传感器,波导,磁电开关和调制解调器等方面有重要应用;磁性和铁电性的共存又导致了该材料中的磁和电的耦合,这种耦合效应使得在该材料中电场可以诱导磁化,磁场可以诱导极化。这一特性被认为在磁读电写的新型记忆元件方面有诱人的应用前景。因此,近几年来,多铁材料受到的空前广泛的关注。BiFeO3是一种具有钙钛矿结构的多铁材料,其居里温度为Tc=1103 K,尼尔温度TN=643 K,室温下表现出共存的铁电性和弱的反铁磁性。因为最近通过脉冲激光沉积方法实现了异质外延生长而获得了极大的铁电性和强的磁性而尤其受到关注。本文研究了BiFeO3薄膜的溶胶-凝胶制备方法,对其进行了A位和B位的替代改性,并对室温下的铁电性,磁性,介电性质以及漏导性质进行了研究。本文研究的主要内容如下:（1）采用溶胶-凝胶方法成功的在ITO/玻璃、LaNiO3/Si（111）衬底以及Pt/Ti/SiO2/Si等衬底上制备了450℃至600℃退火的纯BiFeO3薄膜,并在500℃退火条件下通过工艺的控制在LaNiO3/SiO2/Si衬底上制备（101）择优取向和随机取向的BiFeO3薄膜。在ITO/玻璃衬底上制备的BiFeO3薄膜根据不同的退火温度呈现不同的取向,500℃和600℃退火的薄膜分别呈（110）择优取向和完全的随机取向。两薄膜的剩余极化强度分别为2.0μC/cm2和1.76μC/cm2。通过介电性测试观察到了两薄膜中的德拜型介电弛豫。其中强的介电色散来自不同惯性的偶极子极化的贡献,而介电损耗峰则来自偶极共振。另外,在77 k观察到了弱的磁性。而在450℃到600℃晶化的条件下沉积在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上的BiFeO3薄膜的双剩余极化强度分别为0.51μC/cm2,0.72μC/cm2,4.54μC/cm2和5.94μC/cm2。相对ITO/玻璃衬底,Pt/Ti/SiO2/Si衬底上的BiFeO3薄膜表现出小的介电色散。主要因为BiFeO3薄膜与Pt电极之间具有良好的界面。在相同退火温度下制备的BiFeO3薄膜中,以LaNiO3/Si（111）衬底上的铁电性最强,450℃到600℃退火的薄膜的双剩余极化强度分别为6.4μC/cm2,8.2μC/cm2, 12.8μC/cm2和2.3μC/cm2。通过剖面透射电镜分析观察到了600℃退火的薄膜中存在严重的界面反应,界面反映生成的界面层分担了大部分测试电压应致使加在薄膜层上的测试电场降低,介电性质恶化。另外,薄膜的漏电流随退火温度的升高而增加,主要因为高的退火温度导致晶粒边界连通所致。对于LaNiO3/SiO2/Si衬底上的BiFeO3薄膜,其取向决定于退火工艺。逐层退火有利于薄膜外延生长而获得择优取向,而一次性退火则不利于薄膜的择优取向生长。两薄膜的铁电性和介电性质由薄膜的结晶程度和取向共同决定。漏电导特性分析表明两薄膜由欧姆型电导向空间电荷限制的电导转化的电压相同。（2）加入La（NO3） .6H2O,参照纯BiFeO3薄膜的制备工艺制备了A位La替代的Bi1-xLaxFeO3薄膜,替代前后的容忍因子分别为0.8479和0.8486,因此能够形成稳定的钙钛矿结构。XRD测试表明直到x=0.20,所有的薄膜都呈现良好的R3m结构,没有结构失调的现象出现,并且所有的薄膜均呈完全的随机取向。其中x=0.10的薄膜具有最强的铁电性,相应的2Pr为4.40μC/cm2。通过A位的10%的La替代,薄膜的铁电性得到了增强,双剩余极化强度从3.35μC/cm2提高到了4.40μC/cm2,增强的铁电性来自La替代导致的薄膜的取向变化和晶格形变。同时介电性质得到了提高,10 kHz的测试频率下的相对介电常数由未替代的120增加到10%替代的165。此外,漏电流得到了显著的限制,相同测试电压下20%La替代的薄膜的漏电流比未替代的薄膜减少了3～5个数量级。（3）B位Zr、Ti替代加入Zr（NO3）3.5H2O和Ti（C4H9O）4,参照纯BiFeO3薄膜的制备工艺,在LaNiO3/SiO2/Si,ITO/glass等衬底上制备了BiFe1-xTixO3+δ薄膜和BiFe1-xZrxO3+δ薄膜。在LaNiO3/Si衬底上制备的600℃退火的BiFe1-xTixO3+δ薄膜,x=0时呈完全的随机取向,当x=0.05时呈（101）择优取向,而x增大到0.10时则重新变为随机取向。通过Ti的替代使薄膜的晶粒变小,薄膜的致密度增高,铁电性测试的测试电场也得到相应增加。在不同测试电场下得到x=0.00,0.05和0.10的BiFe1-xTixO3+δ薄膜的Pr值分别为1.2μC/cm2,0.58μC/cm2,和3.8μC/cm2。通过Ti替代的BFO薄膜表现出增强的介电性质和特定的损耗机构。同时薄膜的漏电流得到限制。磁性的测量表明所有的薄膜均表现出弱的反铁磁性,薄膜的磁性决定于替代导致的薄膜的反铁磁结构的破坏和单位体积净磁矩的减少。在ITO/glass衬底上制备的600℃退火的BiFe1-xTixO3+δ（x取0.00到0.20）薄膜都呈现随机取向,但是可以观察到（012）和（110）峰有最大的强度。x=0.20的薄膜能够观察到（012）和（110）双峰的明显展宽,说明该薄膜具有较差的晶化。通过XRD精细结构分析表明Ti的替代导致晶格常数的增加。x=0.05的薄膜具有最大的双剩余极化强度8.30μC/cm2,而x= 0.0, 0.1和0.2的薄膜的剩余极化强度分别为2.12μC/cm2, 2.63μC/cm2和0.44μC/cm2。另外通过Ti的替代,ITO衬底上的BiFe1-xTixO3+δ薄膜表现出显著增强的介电性质,在0.1-100kHz的频率范围内,10%Ti替代的薄膜的介电常数相对BiFeO3增加了150。x=0.20的薄膜具有与其他薄膜不同的介电色散机构,主要因为过量的Ti替代导致的丰富的空间电荷所致。另外,通过Ti的替代,x=0.10和0.20的薄膜的线性欧姆电导到空间电荷限制电导的转化电场显著增加。在ITO/glass上制备的600℃退火的BiFe1-xZrxO3+δ薄膜,x取0.00到0.40都呈现随机取向,x=0.20的薄膜开始观察到烧绿石相。通过XRD精细结构分析表明Zr的替代也导致晶格常数的增加。x=0.20的薄膜具有最大的剩余极化强度3.9μC/cm2。而x=0.10的薄膜具有最大的介电常数。所有的薄膜的漏电流表现出正负偏压下的对称性。由于烧绿石相的出现使的薄膜的漏电流得到了极大的限制。在相同的测试电场下,x=0.20的薄膜的漏电流比x=0的小5个数量级。（4）研究了BiFeO3-PbTiO3, PZT-BiFeO3固熔薄膜的溶胶凝胶制备工艺。同时对薄膜的结构,铁电性,介电性,漏电流和磁性进行了测试和研究。采用Pb（CH3COO）2.3H2O、Zr（NO3）3.5H2O和Ti（C4H9O）4为原料配制了Pb（Zr0.5Ti0.5）O3和PbTiO3前驱体溶液,然后与BiFeO3的前驱体溶液混合,加入适当的稳定剂获得了稳定的BiFeO3-PbTiO3和PZT-BiFeO3前驱体溶液。在LaNiO3底电极上制备了BiFeO3-PbTiO3, BiFeO3-PZT固熔薄膜。XRD分析表明通过与PbTiO3的固熔,BiFeO3在PbTiO3的比例为10%时发生了结构相变,由三方结构转为立方结构。根据Bi3+,Pb2+,Fe3+,Ti4+,Zr4+等离子的半分析,在以上两种固熔薄膜中,Bi3+,Pb2+占据A位,而Fe3+,Ti4+,Zr4+占据B位,通过固熔实际上实现了A位与B位的双替代。通过固熔,BiFeO3的铁电性,介电性得到显著增强,磁性也得到增强。PZT-BiFeO3薄膜中BiFeO3所占的比例为0%到20%,BiFeO3的固熔使PZT的铁电性先增强后减弱。x=10%的薄膜具有最强的铁电性,而x=20%的薄膜则具有最大的矫顽场。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 绪论
  • 1.1 铁电材料及其基本性质
  • 1.2 钙钛矿型铁电材料
  • 1.3 铁电材料的应用
  • 1.4 磁性材料及应用
  • 1.5 多铁材料基本性质及应用前景
  • 3 的结构'>1.6 BIFEO3的结构
  • 3 的磁性'>1.7 BIFEO3的磁性
  • 3 的铁电性'>1.8 BIFEO3的铁电性
  • 3 薄膜的制备方法'>1.9 BIFEO3薄膜的制备方法
  • 2 测试方法和基本理论
  • 2.1 样品的测试
  • 2.2 基本理论
  • 2.3 本章小结
  • 3 薄膜的溶胶－凝胶制备方法'>3 纯相的BIFEO3薄膜的溶胶－凝胶制备方法
  • 3.1 制备工艺
  • 3 薄膜及其物性'>3.2 ITO/GLASS 衬底上制备的纯相的BIFEO3薄膜及其物性
  • 3/ SI 衬底上制备的BIFEO3薄膜及其物性'>3.3 LANIO3/ SI 衬底上制备的BIFEO3薄膜及其物性
  • 3底电极上不同取向的BIFEO3 薄膜的制备工艺及物性'>3.4 LANIO3底电极上不同取向的BIFEO3薄膜的制备工艺及物性
  • 2/SI 衬底上的BIFEO3 的铁电和介电性质的研究'>3.5 PT/TI/SIO2/SI 衬底上的BIFEO3的铁电和介电性质的研究
  • 3.6 本章小结
  • 3 薄膜的结构及性能研究'>4 A 位镧替代的BIFEO3薄膜的结构及性能研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 钙钛矿结构的替位理论
  • 4.3 实验
  • 4.4 结构和性能分析
  • XBI1-XFEO3 薄膜的铁电性研究'>4.5 LAXBI1-XFEO3薄膜的铁电性研究
  • XBI1-XFEO3 薄膜的介电性质的研究'>4.6 LAXBI1-XFEO3薄膜的介电性质的研究
  • XBI1-XFEO3 薄膜的漏电流性质的研究'>4.7 LAXBI1-XFEO3薄膜的漏电流性质的研究
  • 4.8 本章小结
  • 3 薄膜的结构及性能研究'>5 B 位TI 替代的BIFEO3薄膜的结构及性能研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 实验
  • 1－XTIXO3＋Δ薄膜的物性研究'>5.3 ITO/GLASS 衬底上的BIFE1－XTIXO3＋Δ薄膜的物性研究
  • 3/SIO2/SI 衬底上的BIFE1－XTIXO3＋Δ薄膜的物性研究'>5.4 LANIO3/SIO2/SI 衬底上的BIFE1－XTIXO3＋Δ薄膜的物性研究
  • 3 薄膜的B 位ZR 替代效应'>6 BIFEO3 薄膜的B 位ZR 替代效应
  • 6.1 引言
  • 6.2 实验
  • 1-XZRXO3+Δ薄膜的结构分析'>6.3 BIFE1-XZRXO3+Δ薄膜的结构分析
  • 1-XZRXO3+Δ薄膜的厚度分析'>6.4 BIFE1-XZRXO3+Δ薄膜的厚度分析
  • 1-XZRXO3+Δ薄膜的铁电性'>6.5 BIFE1-XZRXO3+Δ薄膜的铁电性
  • 1-XZRXO3+Δ薄膜的介电性质'>6.6 BIFE1-XZRXO3+Δ薄膜的介电性质
  • 1-XZRXO3+Δ薄膜的漏电流性质'>6.7 BIFE1-XZRXO3+Δ薄膜的漏电流性质
  • 6.8 本章小结
  • 3）1－X－（PBTIO3）X固熔薄膜的制备及物性'>7 （BIFEO3）1－X－（PBTIO3）X固熔薄膜的制备及物性
  • 7.1 引言
  • 7.2 实验
  • 7.3 固熔薄膜的结构
  • 7.4 固熔薄膜的剖面SEM 与厚度
  • 7.5 固熔薄膜的铁电性
  • 7.6 固熔薄膜的磁性
  • 7.7 固熔薄膜的介电性质
  • 7.8 本章小结
  • 3 对PZT 薄膜的固熔效应'>8 BIFEO3 对PZT 薄膜的固熔效应
  • 8.1 引言
  • 8.2 实验程序
  • 1－X－（BFO）X固熔薄膜的结构'>8.3 （PZT）1－X－（BFO）X固熔薄膜的结构
  • 1－X－（BFO）X固熔薄膜的形貌'>8.4 （PZT）1－X－（BFO）X固熔薄膜的形貌
  • 1－X－（BFO）X固熔薄膜的铁电性'>8.5 （PZT）1－X－（BFO）X固熔薄膜的铁电性
  • 1－X－（BFO）X固熔薄膜的介电性'>8.6 （PZT）1－X－（BFO）X固熔薄膜的介电性
  • 1－X－（BFO）X固熔薄膜的漏电导特性'>8.7 （PZT）1－X－（BFO）X固熔薄膜的漏电导特性
  • 8.8 本章结论
  • 9 结论
  • 9.1 主要结论
  • 9.2 本论文的创新之处
  • 9.3 需要进一步研究的问题
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录 1 攻读博士学位期间发表和完成的论文目录

    • 相关论文文献

    • [1].圆形薄膜预应力测量[J]. 工程塑料应用 2020(03)
    • [2].低光泽度热隐身光子晶体薄膜[J]. 真空科学与技术学报 2019(11)
    • [3].铁酸铋薄膜的电学特性及掺杂影响分析[J]. 化工新型材料 2017(03)
    • [4].有限尺寸硬薄膜/软基底的屈曲分析[J]. 力学季刊 2017(02)
    • [5].国际薄膜大会Thin Films 2016 新加坡2016.07.12-15[J]. 真空 2015(06)
    • [6].国际薄膜大会Thin Films 2016 新加坡2016.07.12-15[J]. 真空 2016(01)
    • [7].国际薄膜大会Thin Films 2016 新加坡2016.07.12-15[J]. 真空 2016(02)
    • [8].国际薄膜大会Thin Films 2016[J]. 真空 2016(03)
    • [9].可怜的小鸭子[J]. 意林(少年版) 2013(11)
    • [10].大棚薄膜破损咋修补[J]. 农业知识 2009(29)
    • [11].基于电化学聚合方法制备荧光薄膜及其在爆炸物检测中的研究[J]. 化学与粘合 2020(01)
    • [12].欧洲开发抗菌薄膜[J]. 绿色包装 2020(07)
    • [13].谈一谈薄膜数字印刷的优势和成本考量[J]. 印刷技术 2019(03)
    • [14].薄膜传输系统导向辊牵引特性研究[J]. 西安理工大学学报 2016(04)
    • [15].铁酸铋薄膜退火工艺研究进展[J]. 表面技术 2017(02)
    • [16].电沉积制备镍-铁薄膜及其性能的研究[J]. 电镀与环保 2017(04)
    • [17].原子层沉积二硫化钼薄膜的机理及生长薄膜的质量[J]. 东南大学学报(自然科学版) 2017(05)
    • [18].2014年全球特种薄膜销售额将达到297.7亿美元[J]. 印刷技术 2010(02)
    • [19].中国进口薄膜级HDPE供应将趋紧[J]. 塑料工业 2010(07)
    • [20].一种Sb_2S_3热电薄膜的制备方法[J]. 电镀与精饰 2009(07)
    • [21].管状弹簧介电薄膜作动器粘弹性变形研究[J]. 甘肃科学学报 2019(06)
    • [22].薄膜基荧光传感检测的研究进展[J]. 中国科学:化学 2020(01)
    • [23].烧结氛围对铜锌锡硫硒薄膜性质的影响[J]. 内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版) 2020(03)
    • [24].少层二硫化钼薄膜的制备及其光谱特性[J]. 半导体技术 2020(09)
    • [25].薄膜生产中防止薄膜粘连应用研究[J]. 中国设备工程 2020(18)
    • [26].“长寿薄膜”问世 寿命高达25年[J]. 橡塑技术与装备 2017(04)
    • [27].基于动力学标度法的a-C:H薄膜表面微观形貌的演变机理研究[J]. 原子能科学技术 2017(04)
    • [28].欧盟创新型中小企业研制成功过滤薄膜自清洁技术[J]. 化工管理 2014(34)
    • [29].欧盟创新型中小企业研制成功过滤薄膜自清洁技术[J]. 分析测试学报 2014(12)
    • [30].欧盟创新型中小企业研制成功过滤薄膜自清洁技术[J]. 企业技术开发 2014(34)

    标签：;  ;  ;  ;  ;  ;  ;  

    BiFeO3薄膜的溶胶凝胶方法的制备、掺杂及电磁性质的研究
    下载Doc文档

    猜你喜欢

    © 2024 毕速过 版权所有 鄂ICP备12018319号-5