BiFeO3薄膜的制备和掺杂及其电学、磁学和光学性质的研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 高成 |
| 答辩日期 | 2010-11-29 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 褚君浩 |
| 关键词 | 多铁材料 铁电 磁性 光学响应 |
| 学位专业 | 微电子学与固体电子学 |
| 英文摘要 | 多铁性材料是一类同时具有(反)铁电、(反)铁磁及铁弹中两者或两者以上耦合性质的材料。近年来，由于其在多功能器件中的潜在应用引起了人们极大的兴趣。作为一种典型的单相多铁性材料，BiFeO3是少数在室温下同时具有铁电性和磁性的多铁性材料之一，室温下呈铁电有序和反铁磁有序。虽然BiFeO3是室温下研究单相多铁性材料的首选材料，但是在实际应用之前还有许多问题需要解决，如:较大的漏电流、弱的铁磁性等。针对这些问题，本文采用了化学溶液法制备了BiFeO3薄膜，利用A位稀土离子和B位高价离子掺杂调控其性能，对其光学、电学和磁学性能进行了研究。同时对影响铁电薄膜性能的老化现象进行了研究。主要工作和实验结果如下：1、 多铁材料BiFeO3薄膜的制备和性能研究采用化学溶液方法制备了BiFeO3薄膜，研究了不同工艺条件对薄膜性能的影响，得到了最优工艺条件：前躯体浓度为0.1M，Bi过量5%，500℃退火的薄膜性能最好，并且可以通过选择不同衬底，控制薄膜的取向，得到所需取向的薄膜。磁学测试表明，BiFeO3薄膜室温下为反铁磁材料，具有弱磁性，饱和磁化强度约为1.6emu/cm3。在200K温度下，测得良好电滞回线，薄膜的剩余极化达到46.8μC/cm2。通过薄膜的变温介电频谱的测量，分析了低频下的ac电导，利用Jonscher关系和Arrhenius关系拟合得到电导活化能为0.25 eV，确认来源于局域电子在Fe2+与Fe3+之间的跳跃。对薄膜的漏电性能分析表明，在低电场下电流输运为欧姆传导，在高电场下为Poole-Frenkel发射传导。采用透射光谱研究了BiFeO3薄膜的紫外-近红外光学性质，认为BiFeO3薄膜为直接带隙材料，光学带隙宽度约为2.76eV，乌尔巴赫带尾能为296±1meV。2、 A位稀土元素掺杂的BiFeO3薄膜制备和性能研究采用化学溶液方法分别制备了A位La离子和Nd离子掺杂的BiFeO3薄膜。La掺杂的薄膜呈随机取向，随着La掺杂浓度增加，晶格常数增大。La的掺杂导致薄膜的铁电性能减弱，La掺杂浓度为5%的薄膜介电常数和漏电流到达最大，当La掺杂浓度为20%可以有效减小薄膜的漏电流和介电损耗。La掺杂的薄膜为反铁磁性质，La掺杂浓度为5%时，薄膜的饱和磁化强度达到最大值2.7 emu/cm3。La掺杂增大了薄膜的光学带隙，其原因是La的掺杂改变了相邻O原子2p态的σ和π结合能和薄膜的导带位置。Nd离子掺杂使薄膜晶格常数变小，晶粒变小，介电性能和铁电性能减弱。Nd掺杂浓度为2%的薄膜表现出很强的介电色散并出现介电损耗峰，具有类德拜弛豫特征，通过拟合得到介电弛豫峰在2.5×104Hz左右，很可能是由诸如氧空位等缺陷引起的。随着Nd掺杂浓度的增加，抑制了氧空位等缺陷的产生，减小了介电损耗和漏电流，在低电场下，薄膜电流输运为SCLC，在高电场下为Poole-Frenkel发射。Nd掺杂有效的增强了薄膜的磁学性质，观察到明显的磁滞回线，由于Nd本身具有有效磁矩，随着Nd掺杂浓度的增加，饱和磁化强度增大，矫顽场也随之增大。通过透射光谱的测量，拟合计算得到了Nd掺杂的薄膜的光学带隙。3、 B位高价Ti离子掺杂的BiFeO3薄膜制备和性能研究采用化学溶液方法制备了Ti离子掺杂的BiFeO3薄膜。Ti掺杂导致薄膜晶格常数增大，Ti掺杂浓度为5%时，薄膜晶粒尺寸达到最大。研究表明，Ti掺杂有效的抑制了薄膜中氧空位的产生，Ti掺杂浓度为5%时，薄膜的瑞利常数最大，缺陷浓度最低，有效的减小了薄膜的漏电流和介电损耗，与纯BiFeO3薄膜相比，漏电流降低了3个数量级。Ti掺杂显著增强了薄膜的铁电性能，在相同测试电场条件下，Ti掺杂浓度为5%的薄膜剩余极化达到最大值31.8mC/cm2。磁性能测试表明，所有Ti掺杂的BFO薄膜均表现为反铁磁性质，随着Ti掺杂浓度增加，薄膜磁性减弱，饱和磁化强度减小。通过透射光谱的测试分析，得到了薄膜的光学带隙，随着Ti掺杂浓度增加，薄膜光学带隙线性增加，以及Ti掺杂抑制氧空位的产生，导致了薄膜乌尔巴赫带尾能的减小。4、 Ba(ZrTi)O3铁电薄膜介电老化的研究采用Sol-Gel方法制备了Ba(ZrTi)O3薄膜，并对样品在200℃进行了300小时老化处理。老化后薄膜的微结构没有发生改变，通过电学性能测量，老化后的样品介电常数大幅减小，低温低场下C-V曲线表现为双“蝴蝶”形状，为典型的铁电畴钉扎老化现象。温度和电场相关的介电测试表明，老化样品的钉扎可能来源于氧空位缺陷或者缺陷偶极子，随着电场和温度的增加，样品的钉扎老化现象减弱并消失。 |
| 学科主题 | 红外基础研究 |
| 公开日期 | 2012-08-22 |
| 源URL | [http://202.127.1.142/handle/181331/5014]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_上海技物所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 高成. BiFeO3薄膜的制备和掺杂及其电学、磁学和光学性质的研究[D]. 中国科学院研究生院. 2010. |
入库方式： OAI收割
来源：上海技术物理研究所
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