[发明专利]一种BiFeO3

说明书

本发明提供一种BiFeO₃薄膜及其制备方法，所述BiFeO₃薄膜包括BiFeO₃纳米点，所述BiFeO₃纳米点包括菱形相/四方相混合相和纯四方相，其中菱形相/四方相混合相的比例为50～80％。所述BiFeO₃薄膜的制备方法包括以下步骤：(1)在单晶衬底上外延生长一底电极层，然后在底电极层上外延生长一BiFeO₃层，最后在BiFeO₃层表面铺上一单层聚苯乙烯小球；(2)使用氧等离子分割单层聚苯乙烯小球；(3)使用氩离子束刻蚀BiFeO₃层；(4)使用氯仿去除单层聚苯乙烯小球，得到BiFeO₃薄膜。本发明将BiFeO₃层刻蚀成纳米点来诱导相变，通过使用不同直径的聚苯乙烯小球，可以得到直径不同纳米点，通过控制氩离子束刻蚀时间可以得到不同的刻蚀深度，从而达到精准可控的目的，同时不破坏样品。

技术领域

本发明属于磁电多铁材料领域，尤其涉及一种BiFeO₃薄膜及其制备方法。

背景技术

磁电多铁材料是一种能够实现电与磁的共存与相互耦合的多功能材料。在外界磁场的作用下，磁电多铁材料可以实现电极化响应；在外界电场作用下，磁电多铁材料可以实现磁自旋有序。因此磁电多铁材料往往能衍生出丰富多彩的量子现象。磁电多铁材料所具备的独特性质，使其在未来新型量子信息功能器件的开发和设计中具有巨大的应用潜力。

在众多磁电多铁材料中，钙钛矿结构型的BiFeO₃是唯一一种铁电居里温度和反铁磁奈尔转变温度远高于室温的材料。BiFeO₃能够同时具备室温铁电性和反铁磁性，同时伴随着磁/ 电偶极子强耦合特性，可实现用电场控制磁化。因此BiFeO₃为下一代新型多功能电子器件的设计提供了新的研究领域，在自旋电子器件、磁电传感器、转换器、制动器以及高密度铁电存储器等方面，成为目前公认的最有应用前景的材料体系之一。

在基态条件下，BiFeO₃的晶体为菱形相结构，单个晶胞沿111方向畸变，其晶体结构如图1所示。在该结构中，Fe原子位于O八面体中心，而Bi原子占据了8个顶角位置，赝立方晶格常数为在一定条件下，BiFeO₃会由菱形相畸变成四方相结构或者斜方相。在特定的外延应力作用下，BiFeO₃还会形成两相共存的状态。两相共存时，相界上存在着巨大的压电效应，产生巨大的电机械耦合作用。

目前诱导BiFeO₃相变的方法有多种，例如化学掺杂法、高压诱导法、温度调控法、电场诱导法、机械力诱导法以及应力调控法。化学掺杂法是通过控制A位离子离子半径的平均值来实现结构转变，从而诱导BiFeO₃薄膜从菱形相转变为斜方相。高压诱导法是通过对BiFeO₃施加10GPa的高压作用，使BiFeO₃从菱形相转变为斜方相。温度调控法是通过将温度升高至250℃，使BiFeO₃从菱形相/四方相混合相转变为四方相。当温度恢复至室温时，BiFeO₃又会从四方相回到菱形相。电场诱导法是通过给BiFeO₃表面施加一个正(负)几伏的电压，实现BiFeO₃在菱形相/四方相混合相与四方相之间的往复转变。机械力诱导法是在样品表面施加一个约30uN的力，从而诱导BiFeO₃从菱形相/四方相混合相转变为菱形相。应力调控法是通过外延技术，使用不同的应力对BiFeO₃进行控制，从而得到不同相结构的BiFeO₃薄膜。