錳摻雜的BiFeO-,3-鐵電薄膜的制備與性能研究.pdf

1、作為一種無鉛的多鐵性材料，BiFeO3(BFO)由于其在室溫下同時存在鐵電性和反鐵磁性，引起了人們的極大的興趣。具有優(yōu)異性能的多晶和外延的BFO薄膜已被激光脈沖沉積，磁控濺射以及化學氣相沉積法制備成功，其剩余極化強度(Pr)達到了100μC/cm2。然而，對于金屬有機分解法(MOD)，在室溫下具有大的剩余極化強度(Pr＞60μC/cm2)的飽和電滯回線的BFO薄膜一直沒有被成功制備出來，這主要是因為，采用MOD法制備的BFO薄膜的漏電流

2、密度較高并且矯頑場較大。因此，如何控制漏電流和降低矯頑場是提高BFO薄膜性能并使其能在器件中應用的關鍵問題。離子摻雜，包括Bi位上摻雜鑭系元素和Fe位上摻雜過渡族元素，被報道能有效的改善BFO的漏電問題，并能在一定程度上降低BFO薄膜的矯頑場。本論文采用鐠(Pr)和錳(Mn)為摻雜元素，從制備工藝，缺陷，結構與性能之間關系等方面對MOD制備的BFO基鐵電薄膜進行了系統(tǒng)的研究。 主要研究內容如下： 1，研究了在BFO的Fe

3、位上摻入Mn離子對其結構和性能的影響，結果表明：(1)隨著Mn摻雜量的增加，薄膜的(012)峰的相對強度逐漸增加，(024)峰逐漸向高角度移動。(2)Mn的摻雜會抑制BFO的晶粒的生長。(3)隨著Mn含量的增加，薄膜的漏電流密度逐漸增加。(4)與BFO中的Fe2+含量相比，Mn的摻雜能有效的抑制Fe2+離子的產生。(5)5％Mn摻雜的BFO薄膜具有較好的鐵電性能，其剩余極化和矯頑場分別為75±3μC/cm2和380±5kV/cm。(6)

4、盡管Mn的摻雜會使BFO從菱方相向四方相轉變，但在Mn含量小于7％的BFO中，自發(fā)極化方向依然是接近體對角線。 2，討論了退火方式(即，逐層退火工藝和傳統(tǒng)退火工藝)對5％Mn摻雜的BFO薄膜的電學性能的影響。發(fā)現(xiàn)：(1)采用逐層退火沉積的薄膜的致密度較好。(2)與采用傳統(tǒng)退火工藝沉積的薄膜相比，逐層退火制備的薄膜具有較大剩余極化強度，但其矯頑場表現(xiàn)出明顯的非對稱性。(3)通過對比研究兩種退火方式制備的薄膜的電滯回線，發(fā)現(xiàn)薄膜中應

5、力引發(fā)的鐵電疇的取向擇優(yōu)是非對稱矯頑場出現(xiàn)的起因。薄膜在熱處理過程中的老化使得矯頑場的非對稱變得更加嚴重。 3，系統(tǒng)研究了Pr摻雜(摻量為10％-20％)對BiFe0.95Mn0.0503薄膜電學性能的影響，實驗結果表明：(1)在14％Pr摻雜的BiFe0.95Mn0.0503薄膜中觀測到最大的剩余極化強度和介電常數(shù)。(2)當Pr的摻雜量高于16％時，薄膜表現(xiàn)出雙電滯回線的特征。(3)由于Pr摻雜引起的晶格的畸變，準同晶相界有可