錳、鎳摻雜鐵酸鉍薄膜的制備及電磁性能研究.pdf

1、多鐵材料由于其獨(dú)特的磁有序和鐵電有序共存性以及兩者之間的耦合作用而具有豐富的物理性質(zhì)和廣闊的應(yīng)用前景，成為近年來的研究熱點(diǎn)。其中，具有ABO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵酸鉍（BiFeO3，BFO）由于其鐵電有序態(tài)和反鐵磁有序態(tài)都遠(yuǎn)在室溫以上而備受關(guān)注。然而，由于Bi元素在高溫下容易揮發(fā)且常伴有各種缺陷，導(dǎo)致難以制備出性能優(yōu)異的BFO薄膜，極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用。而氧空位、雜相、尺寸等因素對 BFO薄膜的微結(jié)構(gòu)和性能起著重要的調(diào)制作用，因此，本文系統(tǒng)

2、地研究了氧空位濃度、雜相種類及含量、薄膜尺寸等因素對 BFO薄膜電、磁性能的調(diào)控方法和調(diào)控機(jī)制。
　　BFO薄膜中容易產(chǎn)生雜相，針對這一問題，本文研究了磁控濺射時(shí)氧氬比對BFO薄膜組成、微結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明通過改變氧氬比可以有效控制雜相的產(chǎn)生，當(dāng)氧氬比為1:10時(shí)BFO薄膜的純度達(dá)到98%以上。同時(shí)，合適的氧氬比不僅有利于薄膜晶粒的生長，使得晶粒均勻、表面平整，而且可以減小氧空位的濃度，降低漏電流密度（氧氬比為1:10時(shí)，

3、漏電流密度僅為7.34×10-6 A/cm2）。
　　氧空位濃度直接影響B(tài)FO薄膜的電、磁性能，本文通過改變退火氣氛來調(diào)控BFO薄膜中的氧空位濃度。發(fā)現(xiàn)氧氣氣氛退火不僅可以有效地抑制氧空位的生成，增加薄膜的致密度，降低漏電流密度，而且其鐵電性、介電性和磁性能都有一定程度的提高。
　　BFO薄膜的鈣鈦礦相只能在一個(gè)狹窄的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，本文研究了退火溫度對BFO薄膜微結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明適當(dāng)高的退火溫度可以促進(jìn)薄膜晶

4、粒的生長，減小表面粗糙度，薄膜的漏電流密度降低，剩余極化強(qiáng)度、矯頑場強(qiáng)、介電常數(shù)和磁化強(qiáng)度總體上升。
　　膜厚是調(diào)控薄膜性能的主要手段之一，為此，本文通過改變薄膜的沉積時(shí)間來調(diào)控 BFO薄膜的厚度，并研究膜厚對 BFO薄膜性能的影響。結(jié)果表明隨著膜厚的增加，BFO薄膜的化學(xué)組成更接近于化學(xué)計(jì)量比，相純度更高。隨著膜厚的增加，薄膜的晶粒尺寸和表面的粗糙度明顯增加，剩余極化強(qiáng)度、介電常數(shù)、剩余磁化強(qiáng)度和磁化矯頑場強(qiáng)都有所增加。

5、　　摻雜是改善材料性能的重要手段，本文通過摻雜Mn和Ni元素來調(diào)控 BFO薄膜的結(jié)構(gòu)和性能。結(jié)果表明隨著Mn摻雜量的增加，氧空位濃度逐漸減小，薄膜晶粒尺寸、剩余極化強(qiáng)度、矯頑場強(qiáng)、介電常數(shù)、壓電系數(shù)及剩余磁化強(qiáng)度都明顯提高，但透過率和光學(xué)帶隙明顯降低（當(dāng)Mn摻雜量x=0.08時(shí)，薄膜的光學(xué)帶隙最小，Eg=2.58 eV）。Ni摻雜可以引起B(yǎng)FO薄膜內(nèi)部的晶格畸變，使薄膜結(jié)構(gòu)處于一個(gè)準(zhǔn)同型相界區(qū)域；隨著Ni含量增加，薄膜中Fe2+離子濃度