[发明专利]B位掺杂铋铁氧体固溶体薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种B位掺杂铋铁氧体固溶体薄膜及制备方法和应用，制备方法包括：制备B位掺杂铋铁氧体固溶体溶胶；将固溶体溶胶于衬底上涂布形成溶胶涂层；将衬底上的溶胶涂层进行热固处理；将热固处理后的溶胶涂层进行退火处理；其中，退火处理中通过快速升温后保持，提升薄膜表面的平整度，控制和提升材料的结晶性；然后再缓慢降温促进薄膜形成面外单畴。本发明的以上方法，对传统铁酸铋溶胶凝胶制备薄膜技术进行改良，通过B位掺杂，与钛酸钙混合获得准同型相界的压电增强效应；通过调整退火过程，制备的高质量外延室温多铁薄膜具备良好的高压电性，室温多铁性及单晶外延性。

技术领域

本发明涉及磁电耦合材料制备技术领域，尤其涉及一种B位掺杂铋铁氧体固溶体薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

多铁性材料既有铁电性又有铁磁性，是多功能的磁电复合材料，不但具备各种单一的铁性(如铁电性、铁磁性)，而且通过铁性的耦合复合协同作用，可以通过磁场控制电极化或者通过电场控制磁极；因此是许多电子器件和传感器的技术核心。比较常见的多铁性材料如TMO(TbMnO3、锰酸铽)和BFO(BiFeO3、铁酸铋)等都具有非常优秀的性能。同时也都存在各自的不足；比如，TMO体系中磁电耦合现象发生的温度远低于室温，且其新颖铁电性在强度上极少能够达到；BFO在室温下并非铁磁态而是处于反铁磁态，并不满足信息存储材料读取的需求。

基于上述，钙钛矿结构B位杂化的(1-x)BiTi_(1-y)/2Fe_yMg_(1-y)/2O₃-xCaTiO₃固溶体陶瓷材料中成功实现了室温铁电铁磁性质的共存，同时由于掺杂的复杂性，对与从陶瓷体系向高质量薄膜体系发展，以及制备微型电子器件的相关工艺，也提出了新的挑战。因此，在BFO薄膜材料制备中也相应可以采用杂化的方式，来实现其室温铁电铁磁性质的共存。

而目前，铋铁氧体薄膜的制备，采用较多的方式是激光脉冲沉积(PLD)、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)等制备方法，对温度氧压等实验条件十分敏感，且依赖于高质量单晶衬底提供的外延应力，某些还需要昂贵的脉冲激光沉积(PLD)设备；最终制备的BFO材料的在面外方向单畴结构，和室温铁磁性上都存在不足。而相比以上方法，溶胶凝胶法制备BFO薄膜，是更加适合的方式，具有可进行多元掺杂、掺杂灵活、精确、可控性强以及可实现工业大规模生产的明显优势；并且在铁电铁磁室温多铁材料的高质量薄膜材料制备中，可灵活调配B位元素杂化，研究其对材料的居里温度、铁磁性及室温磁电耦合强度的影响。但是目前采用室温多铁薄膜的溶胶凝胶制备的方法，制备薄膜为铁酸铋多晶薄膜，无准同型相界化学配比带来的压电增强效应，或者无衬底外延性，或者表面无法达到无晶界及高平整度。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种B位掺杂铋铁氧体固溶体薄膜的制备方法，旨在提升制备的铋铁氧体固溶体薄膜室温下的多铁性及单晶外延性质，并且使其具有良好的高压电性。

为实现上述目的，本发明提供的B位掺杂铋铁氧体固溶体薄膜制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

制备B位掺杂铋铁氧体固溶体溶胶；

将所述固溶体溶胶于衬底上涂布形成溶胶涂层；

将所述衬底上的溶胶涂层进行热固处理；

将所述热固处理后的溶胶涂层进行退火处理；其中，所述退火处理的温度为700～900℃，所述退火处理的降温过程中降温速率为0.5～1℃/s。

本发明进一步还提出由上述方法直接制备得到的B位掺杂铋铁氧体固溶体薄膜。以及将该B位掺杂铋铁氧体固溶体薄膜于传感器或驱动器中的应用。

本发明的以上方法，对传统铁酸铋溶胶凝胶制备薄膜技术进行改良，通过B位掺杂，与钛酸钙混合获得准同型相界的压电增强效应；通过精细调整退火参数，制备的高质量外延室温多铁薄膜具备良好的高压电性，室温多铁性及单晶外延性。