锰、镍掺杂铁酸铋薄膜的制备及电磁性能研究

【摘要】：多铁材料由于其独特的磁有序和铁电有序共存性以及两者之间的耦合作用而具有丰富的物理性质和广阔的应用前景,成为近年来的研究热点。其中,具有ABO_3钙钛矿结构的铁酸铋(BiFeO_3,BFO)由于其铁电有序态和反铁磁有序态都远在室温以上而备受关注。然而,由于Bi元素在高温下容易挥发且常伴有各种缺陷,导致难以制备出性能优异的BFO薄膜,极大地限制了其实际应用。而氧空位、杂相、尺寸等因素对BFO薄膜的微结构和性能起着重要的调制作用,因此,本文系统地研究了氧空位浓度、杂相种类及含量、薄膜尺寸等因素对BFO薄膜电、磁性能的调控方法和调控机制。BFO薄膜中容易产生杂相,针对这一问题,本文研究了磁控溅射时氧氩比对BFO薄膜组成、微结构和性能的影响。结果表明通过改变氧氩比可以有效控制杂相的产生,当氧氩比为1:10时BFO薄膜的纯度达到98%以上。同时,合适的氧氩比不仅有利于薄膜晶粒的生长,使得晶粒均匀、表面平整,而且可以减小氧空位的浓度,降低漏电流密度(氧氩比为1:10时,漏电流密度仅为7.34×10-6 A/cm2)。氧空位浓度直接影响BFO薄膜的电、磁性能,本文通过改变退火气氛来调控BFO薄膜中的氧空位浓度。发现氧气气氛退火不仅可以有效地抑制氧空位的生成,增加薄膜的致密度,降低漏电流密度,而且其铁电性、介电性和磁性能都有一定程度的提高。BFO薄膜的钙钛矿相只能在一个狭窄的温度范围内保持稳定,本文研究了退火温度对BFO薄膜微结构和性能的影响。结果表明适当高的退火温度可以促进薄膜晶粒的生长,减小表面粗糙度,薄膜的漏电流密度降低,剩余极化强度、矫顽场强、介电常数和磁化强度总体上升。膜厚是调控薄膜性能的主要手段之一,为此,本文通过改变薄膜的沉积时间来调控BFO薄膜的厚度,并研究膜厚对BFO薄膜性能的影响。结果表明随着膜厚的增加,BFO薄膜的化学组成更接近于化学计量比,相纯度更高。随着膜厚的增加,薄膜的晶粒尺寸和表面的粗糙度明显增加,剩余极化强度、介电常数、剩余磁化强度和磁化矫顽场强都有所增加。掺杂是改善材料性能的重要手段,本文通过掺杂Mn和Ni元素来调控BFO薄膜的结构和性能。结果表明随着Mn掺杂量的增加,氧空位浓度逐渐减小,薄膜晶粒尺寸、剩余极化强度、矫顽场强、介电常数、压电系数及剩余磁化强度都明显提高,但透过率和光学带隙明显降低(当Mn掺杂量x=0.08时,薄膜的光学带隙最小,Eg=2.58 eV)。Ni掺杂可以引起BFO薄膜内部的晶格畸变,使薄膜结构处于一个准同型相界区域;随着Ni含量增加,薄膜中Fe2+离子浓度、晶粒尺寸、结晶度、剩余磁化强度、剩余极化强度、矫顽场强、介电常数都明显增加,当Ni含量x=0.1时剩余极化强度、矫顽场、介电常数达到最大值(分别为11.45μC/cm2和200.5kV/cm、262);薄膜的光学带隙由于Ni掺杂引起的晶粒增加而减小,从2.58 eV减小到2.48 eV。