[发明专利]溶胶凝胶法制备（110）晶面择优生长的高剩余极化强度的BiFeO3 薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料领域，特别涉及一种制备BiFeO₃铁电薄膜的方法。

背景技术

以BiFeO₃为代表的多铁性化合物体系，已形成一个世界范围的单相多铁性磁电材料的研究热潮。随着微电子技术、光电子和传感器等技术的发展，对材料性能的要求越来越高，铁电薄膜以良好的铁电、压电、介电等性质，成为可广泛应用于微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域的重要功能材料。

然而，BiFeO₃本身性质决定了其很难制备出纯相，并且观测到饱和电滞回线。一方面，由于Bi和Fe的存在影响到制备纯相BiFeO₃材料。传统的慢速退火工艺制备BiFeO₃时，氧空位在高温退火下达到动态平衡，当退火过程结束，部分氧空位滞留其中，形成氧空位的聚集，引起氧剂量的偏移，这种偏移使得铁价态发生波动(Fe³⁺转化为Fe²⁺)。铁价态的波动导致大的漏导，从而使BiFeO₃漏电流较大，由于大的漏导使其铁电性无法正确测量而获得饱和极化。另一方面，BiFeO₃本身具有的低介电常数和低电阻率等性质致使很难观测到电滞回线。这些特点都大大地限制了其应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种溶胶凝胶法制备（110）晶面择优生长的高剩余极化强度的BiFeO₃薄膜的方法，该种方法能够制备出在（110）晶面择优生长并具有较高的剩余极化强度（Pr＞130μC/cm²）的BiFeO₃薄膜。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种溶胶凝胶法制备（110）晶面择优生长的高剩余极化强度的BiFeO₃薄膜的方法，包括以下步骤：步骤1：将Bi(NO₃)₃·5H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O、Nd(NO₃)₃·6H₂O和Co(NO₃)₂·6H₂O按摩尔比0.90:1-x:0.15:x溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液中，其中铋离子过量5%以补偿薄膜退火过程中的挥发，搅拌均匀得到稳定的BiFeO₃前驱液；其中x=0.01~0.03，乙二醇甲醚和醋酸酐的体积比3:1，BiFeO₃前驱液中金属离子浓度为0.3mol/L；步骤2：采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂BiFeO₃前驱液，转速为4000转/s，匀胶结束后在200℃烘烤10~15min得干膜，然后在550℃快速退火6~8min得到晶态BiFeO₃薄膜。

本发明进一步的改进在于：还包括以下步骤：步骤3：待步骤2制备的薄膜降温至室温，重复步骤2‘旋涂-退火’过程，以前一层作为后一层的种子层，诱导出（110）晶面择优生长的BiFeO₃薄膜，直到达到所需厚度的BiFeO₃薄膜。

本发明进一步的改进在于：x=0.01、0.02或0.03。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：(1)对设备要求不高，操作方便，容易控制；(2)对基片的大小和形状要求不高，容易控制薄膜成分；(3)溶胶-凝胶是化学反应，合成温度较低；(4)经过溶液得到胶体，由于胶体混合比较均匀，因而很容易均匀掺杂，所制材料也均匀。(5)A-B位共掺杂后，固熔进入晶格，使原本近似呈钙钛矿结构的铁酸铋晶格扭曲，结构畸变加剧，并且通过精确控制前驱液的溶剂比使得薄膜择优生长，从而极大地提高了BiFeO₃薄膜的铁电性能。

目前用于制备BiFeO₃薄膜的方法有很多，如化学气相沉积法(CVD)、磁控溅射法(rf magnetron sputtering)、金属有机物沉积法(MOD)、金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)、液相沉积法（LPD）、分子束外延法(MBE)、脉冲激光沉积法(PLD)、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)等。相比其他方法，Sol-Gel方法由于不需要昂贵的真空设备，适宜在大的表面和形状不规则的表面上制备薄膜，以及化学组分精确可控等优点而被广泛用来制备铁电材料。