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Bi_(1-x)Tb_xFe_(1-y)TM_yO_3/CoFe_2O_4(TM=Cr,Mn,Co)薄膜的制备及多铁性能研究

董国华  
【摘要】:多铁性复合材料由于具有铁电、铁磁或铁弹响应,同时其磁电耦合效应也被大量的研究。单相多铁材料Bi Fe O3因其能在室温下同时表现出铁电性和反铁磁性,虽然自发极化高达~100μC/cm2,但由于特殊的螺旋磁结构使其只表现出较弱的反铁磁性。为了弥补这一缺点,Fe3O4、Co Fe2O4、Ni Fe2O4和La0.65Sr0.35Mn O3等磁性材料被引入到Bi Fe O3基复合材料体系中。类似的复合多铁材料往往同时表现出优异的多铁性能和强磁电耦合效应。Bi Fe O3基多铁性复合材料所具有的多功能效应可以为信息存储、集成电路及传感器等的设计提供更多的自由度。本课题采用化学溶液沉积法制备Bi0.89Tb0.11Fe1-xTMxO3/Co Fe2O4(BTFTMO/CFO)复合薄膜,研究多元素共掺杂和添加Co Fe2O4磁性层对晶体结构、漏导电流、元素价态、介电、铁电及铁磁性能的影响,结果如下:(1)研究了单独掺杂稀土元素Tb对BiFeO3薄膜物相结构、漏导电流、介电性能、铁电性能及Fe元素价态的影响。结果发现Bi0.89Tb0.11Fe O3薄膜处于两相共存状态,薄膜中Fe2+含量减少致使泄漏电流减小、介电性能突出,并获得最优异的铁电性能剩余极化强度(Pr)为88.1μC/cm2和矫顽场强(Ec)为541.1 k V/cm。(2)对Bi0.89Tb0.11Fe1-xTMxO3(BTFTMO)薄膜晶体结构、缺陷化学、电性能及磁性能进行系统表征,研究表明Tb和过渡族元素(Cr、Mn和Co)共掺杂能诱导薄膜由菱方相向三斜扭曲的伪立方相转变。致密度的提高、晶粒的细化和Fe2+含量的减少都是漏导电流减小的重要因素。BTFCo O薄膜的Pr和Ec分别为127.8μC/cm2和468.1 k V/cm,明显优于BTFCr O(Pr~61.3μC/cm2,Ec~718.2 k V/cm),BTFCo O薄膜的磁性能也有提升,剩余磁化强度(Mr~0.8 emu/cm3)是BTFCr O和BTFMn O的两倍。共掺体系中Co2+和Mn2+对Bi Fe O3薄膜多铁性能的改善最为明显。(3)研究了Mn-Co、Mn-Ni和Mn-Cu等B位共掺杂对BiFeO3薄膜结构及性能的影响。研究表明过渡族元素共掺杂能促使薄膜向四方扭曲的伪立方相转变。B位共掺杂体系中Fe2+含量减少的同时出现少量Mn3+,导致薄膜中氧空位等缺陷浓度会随着掺杂而降低,泄漏电流的减小也证实这一结果。B位共掺杂BFO薄膜最大的特点就是铁电性能优异。Mn-Co共掺BFO获得的最大剩余极化强度Pr为197.8μC/cm2,考虑到材料本身的在高电场下漏导,通过电流补偿得到更准确的Pr值为146.2μC/cm2。(4)研究了Bi Fe O3/Co Fe2O4复合薄膜的结构和多铁性能结果发现Co Fe2O4层的引入后Bi Fe O3相仍然保持着原有的结构特征。由于Bi Fe O3层的击穿场强小、漏导电流大,因此Bi Fe O3/Co Fe2O4薄膜在铁电性能表征中只得到未饱和的环状电滞回线。但磁性能表征显示复合薄膜具有磁性参数:MS~76.4 emu/cm3,Mr~40.3 emu/cm3,Hc~1350 Oe。Bi Fe O3/Co Fe2O4复合薄膜的磁性能是单一Bi Fe O3(MS~0.7 emu/cm3)薄膜的100多倍。(5)研究Tb和过渡元素共掺杂的BTFTMO/CFO复合薄膜的结构、漏导电流、铁电及铁磁性能。结构研究表明BTFTMO层仍然保持着原来的伪立方结构。BTFTMO/CFO薄膜的漏电流密度相比BFO/CFO薄膜降低了2-3个数量级。铁电性能结果显示BTFTMO/CFO薄膜铁电性远远优于BFO/CFO薄膜,室温下BTFCo O/CFO薄膜测得的Pr值高达142.5μC/cm2,同时铁磁性能中BTFCo O/CFO薄膜的剩余磁化强度Mr也高达64.6 emu/cm3。在Tb-Mn-Co三元共掺杂的BTFMn Co O薄膜和BTFMn Co O/CFO复合薄膜的磁电性能对比研究中发现,BTFMn Co O/CFO薄膜具有更低的漏导电流,且其均能获得优异的铁电性能,Pr分别为130.8μC/cm2和173.0μC/cm2。通过电流补偿后获得较为准确的Pr分别为:114.2μC/cm2和144.4μC/cm2。同时其剩余磁化强度Mr分别为0.7 emu/cm3和59.5 emu/cm3。


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