[发明专利]一种镧系稀土离子掺杂钛酸铋/尖晶石铁氧体铁电铁磁复合薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无铅的铁电铁磁复合薄膜，特别是提供了一种无铅的镧系稀土离子掺杂钛酸铋/尖晶石铁氧体铁电铁磁复合薄膜及其制备方法。

背景技术

铁电铁磁复合材料是一种多功能材料，它是由两种单相材料—铁电相与铁磁相材料经一定方法复合而成，是同时获得铁电性和磁性的一条有效途径。这类复合材料除了具有单一材料的各种性能外，由于电极化和磁化之间的耦合作用，还会出现许多新的性能，如磁电效应。由于其具有很好的物理特性，在传感器、数据存储器和磁电能转换器等领域具有广泛的应用，不断激起了材料科学家的兴趣。目前，已经成功制备出了多种铁电铁磁块体材料。相比块体铁电铁磁复合材料，铁电铁磁复合薄膜表现出更为独特的优势，其组分和连通性可以控制在纳米尺度内，并可以直接制备在各种各样的微器件、集成电路单元上，比如微传感器、微型磁电马达、存储器。所以最近材料科学家对铁电铁磁复合材料的注意力转到了铁电铁磁复合薄膜上。尖晶石铁氧体是一类以Fe(III)氧化物为主要成分的复合氧化物，它的一般化学式为MFe₂O₄，其中M为二价金属离子，如CO²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺、Mg²⁺等，是性能优良的软磁材料。它具有独特的物理、化学特性与磁特性，如温和的饱和磁化场、较大的矫顽力等，成为极有竞争力的新一代铁磁记录材料，常被用来作为制备铁电铁磁复合薄膜中的铁磁相材料。锆钛酸铅等含铅的铁电材料由于其良好的压电和铁电等性能，成为了制备铁电铁磁复合薄膜中铁电相的首选材料。但是这类铁电材料含铅，对人体的伤害和环境的破坏极大，所以有必要选用无铅的铁电材料来替代它。

目前铁电铁磁复合膜的复合形式主要有两种：(1)铁电层和铁磁层交替排列的层状复合薄膜；(2)铁电相和铁磁相之间微观接触的颗粒复合膜。后者的铁电相与铁磁相之间是微观接触的，所以铁电相与铁磁相之间的乘积效应和交叉耦合效应能充分发挥出来。但关于这类薄膜的报道很少，而且被报道的这类薄膜都是含铅的，而且制备工艺大部分是采用脉冲激光淀积，其制备的成本很高。也有极少数的研究报道采用化学溶液法制备这类复合的铅基薄膜，但采用的工艺是直接将铁磁颗粒分散在铁电溶液中，这个工艺过程导致铁电相和铁磁相分布不均匀，很难达到分子级的接触。

发明内容

本发明目的是提供一种镧系稀土离子掺杂钛酸铋/尖晶石铁氧体无铅铁电铁磁复合薄膜 材料及其制备方法，可以使铁电相和铁磁相之间的乘积效应、交叉耦合效应充分发挥出来。

本发明的目的是通过下述方式实现的。

一种镧系稀土离子掺杂钛酸铋/尖晶石铁氧体铁电铁磁复合薄膜，由单层或多层膜组成，每层膜由铁电相镧系稀土离子掺杂钛酸铋和铁磁相尖晶石铁氧体复合而成。

镧系稀土离子掺杂钛酸铋和尖晶石铁氧体的摩尔比可以为任意比。

本发明制备镧系稀土离子掺杂钛酸铋/尖晶石铁氧体铁电铁磁复合薄膜的工艺方法为：

(1)镧系稀土离子掺杂钛酸铋铁电溶液的配制：依照化学式Bi_4-xR_xTi₃O₁₂，其中R为镧系稀土元素，0<x≤1.5，按Bi与R的摩尔比为4-x∶x称取硝酸铋(硝酸铋质量还需过量4～15％)，和镧系硝酸盐或醋酸盐，然后加入冰醋酸作溶剂，磁搅拌将其混合物完全溶解，得到溶液A；按照铋、R和钛的摩尔比为4-x∶x∶3，称取一定量的钛酸四丁酯放入另一容器，然后再加入乙酰丙酮和冰醋酸搅拌片刻得到溶液B；将溶液A和溶液B混合，经磁搅拌1～2h，静胃3～7天后，过滤得到镧系稀土离子掺杂钛酸铋前驱体溶液；

(2)尖晶石铁氧体铁磁溶液的配制：将铁氧体金属硝酸盐、柠檬酸、聚乙二醇溶于酒精，搅拌得到红褐色的透明铁氧体前驱体溶液。

(3)铁电铁磁溶液混合：以乙酰丙酮作稳定剂，将镧系稀土离子掺杂钛酸铋前驱体溶液与铁氧体前驱体溶液混合，经磁搅拌得到镧系稀土离子掺杂钛酸铋和铁氧体的均匀混合溶液。

(4)铁电铁磁复合薄膜制备：将上述混合溶液过滤后，用甩胶旋涂工艺将其均匀地涂敷在Pt/Ti/SiO₂/Si(100)衬底上得到湿膜，然后放置在快速热处理炉中，在氧气气氛下经过烘烤、热解、退火处理，得到单层多晶镧系稀土离子掺杂钛酸铋/尖晶石铁氧体铁电铁磁复合薄膜；要制备多层铁电铁磁复合薄膜，那么就重复步骤(4)中上述的甩胶旋涂、烘烤、热解、退火过程，直到获得所需厚度的薄膜。