[发明专利]一种Tb和Mn共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3 薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能薄膜材料领域，具体涉及一种Tb和Mn共掺杂高剩余极化强度的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和Mn共掺杂高剩余极化强度的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，并能够大幅度提高薄膜的铁电性能。

为了达到上述目的，本发明制备Tb和Mn共掺杂高剩余极化强度的BiFeO₃薄膜的方法，包括以下步骤：

1）将硝酸铋、硝酸铁、硝酸铽和醋酸锰按（0.91-0.97）:（1-x）:（0.08-0.14）: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=0.01～0.05；

2）将BiFeO₃前驱液旋涂在FTO/glass基片上制备湿膜，将湿膜于180～260℃下烘烤得干膜，然后在550℃退火7～12min，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薄膜达到所需厚度，即得到Tb和Mn共掺杂高剩余极化强度的BiFeO₃薄膜。

所述的步骤1）混合液中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、硝酸铽和醋酸锰的摩尔比为0.94:（1-x）:0.11:x。

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

所述的步骤2）中湿膜的烘烤时间为5～10min。

一种采用所述方法制备的Tb和Mn共掺杂高剩余极化强度的BiFeO₃薄膜的化学组分为Bi_0.89Tb_0.11Fe_1-x.Mn_xO₃，x=0.01～0.05；其为扭曲钙钛矿结构，为三斜相结构属于P1空间群，剩余极化强度大于100μC/cm²，在400kV/cm的电场下漏电流密度在10^-5A/cm²以下。

x=0.01，该Tb和Mn共掺杂高剩余极化强度的BiFeO₃薄膜的饱和极化强度为124.2μC/cm²，剩余极化强度为108.1μC/cm²，矫顽场为475.9kV/cm；在100kHz的测试频率下介电常数为215。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：