[发明专利]一种Tb、Mn 和Cu 三元共掺杂的低漏电流BiFeO3 薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料领域，具体涉及一种Tb、Mn和Cu三元共掺杂的低漏电流BiFeO₃薄膜及其制备方法。 

背景技术

近年来以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。它在室温下同时具有铁电有序和反铁磁有序，由于具有较高的铁电相变温度(T_C=1103K)和磁相变温度(T_N=643K)。因此BiFeO₃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。 

BiFeO₃薄膜最大的问题就是低电阻率，无法在室温下测量其铁电性质。一方面，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Tb、Mn和Cu三元共掺杂的低漏电流BiFeO₃薄膜及其制备方法，该方法设备要求简单，实验条件容易达到，制备的薄膜均匀性较好，掺杂量容易控制，制得的Tb、Mn和Cu三元共掺杂的低漏电流BiFeO₃ 薄膜在300kV/cm的电场下漏电流密度仍保持在10^-5A/cm²以下，在100kHz的测试频率下介电常数为230～250。 

为了达到上述目的，本发明Tb、Mn和Cu三元共掺杂的低漏电流BiFeO₃薄膜的制备方法，包括以下步骤： 

1）将硝酸铋、硝酸铁、硝酸铽、醋酸锰和硝酸铜按（0.91-0.97）:（0.96-x）:（0.08-0.14）:0.04:x的摩尔比溶于由乙二醇甲醚和醋酸酐混合而成的混合液中，然后搅拌均匀，得到BiFeO₃前驱液；其中，BiFeO₃前驱液中总的金属离子浓度为0.1～0.5mol/L；x=0.01～0.02； 

2）将BiFeO₃前驱液旋涂在FTO/glass基片上制备湿膜，将湿膜于180～260℃烘烤得干膜，然后在550℃退火8～13min，得到晶态BiFeO₃薄膜； 

3）待晶态BiFeO₃薄膜冷却后，再重复步骤2）使晶态BiFeO₃达到所需厚度，即得到Tb、Mn和Cu三元共掺杂的低漏电流BiFeO₃薄膜。 

所述的步骤1）混合液中的乙二醇甲醚和醋酸酐的体积比为（1:1）～（4:1）。 

所述的步骤1）中硝酸铋、硝酸铁、硝酸铽、醋酸锰和硝酸铜的摩尔比为0.94:（0.96-x）:0.11:0.04:x。 

所述的步骤2）中将BiFeO₃前驱液旋涂在FTO/glass基片上前，BiFeO₃前驱液需静置24～32h。 

所述的步骤2）湿膜的烘烤时间为6～12min。 

一种采用所述的制备方法制备的Tb、Mn和Cu三元共掺杂的低漏电流BiFeO₃薄膜的化学组分为Bi_0.89Tb_0.11Fe_0.96-xMn_0.04Cu_xO₃，x=0.01～0.02，具有扭曲钙钛矿结构，属于R3c空间群，为六方结构，在300kV/cm的电场下漏电流密度保持在10^-5A/cm²以下，在100kHz的测试频率下介电常数为230～250。 

x=0.02，该Tb、Mn和Cu三元共掺杂的低漏电流BiFeO₃薄膜的晶粒尺寸在 50～80nm。 

相对于现有技术，本发明具有以下优点：