一种BiFeO3薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种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。本发明专利技术将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。

【技术实现步骤摘要】
一种BiFeO3薄膜及其制备方法
本专利技术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。
技术介绍
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。上述各种诱导BiFeO3相变的方法都不方便控制，并且可能会对样品造成破坏。例如化学掺杂法中，掺杂时改变了样品的组成，可能对样品的性能造成影响。高压、温度、机械力的调控只是暂时的，并且条件难以控制，如果压力移除或者温度恢复到室温，BiFeO3会恢复到原来的相结构。目前应力调控主要是用不同的衬底制备薄膜或者利用聚焦离子束进行刻蚀以改变应力大小诱导相变。用不同的衬底制备薄膜的方法只能在制备时生长出不同相的BiFeO3薄膜，而利用聚焦离子束进行刻蚀的方法是将BiFeO3薄膜刻蚀成纳米岛的结构，但是这种刻蚀方法刻蚀的结构不均匀，对BiFeO3薄膜的破坏也很大。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题和缺陷，本专利技术提供一种BiFeO3薄膜及其制备方法，该制备方法能够产生BiFeO3纳米点，使四方相转变成稳定的菱形相/四方相混合相，并能够精准地控制BiFeO3纳米点直径，同时不破坏样品。本专利技术提供的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，其中所述菱形相/四方相混合相的比例为50～80％。在菱形相/四方相混合相中，菱形相与四方相的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，能够适应未来新型量子信息功能器件的开发和设计。进一步，所述BiFeO3纳米点直径为200～1000nm，所述BiFeO3纳米点深度为30～50nm。将BiFeO3纳米点控制在200～1000nm的范围，能够使所述BiFeO3薄膜适应系统集成以及器件小型化的不断发展，有利于所述BiFeO3薄膜的工业化应用。本专利技术提供的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。相对于现有技术，本专利技术在BiFeO3层表面铺上一单层聚苯乙烯小球，将BiFeO3层完全覆盖。然后使用氧等离子将紧密排布的聚苯乙烯小球分割，让聚苯乙烯小球相互分离，使部分BiFeO3层裸漏。然后使用氩离子束轰击BiFeO3层，刻蚀未被聚苯乙烯小球覆盖的、裸漏的部分BiFeO3层，最终形成与聚苯乙烯小球大小对应的BiFeO3纳米点。在纳米尺度范围内，BiFeO3纳米点由于应力释放将发生相变并保持稳定。通过使用不同直径的聚苯乙烯小球，可以得到直径不同的BiFeO3纳米点；通过控制氩离子束刻蚀时间，刻蚀得到不同深度的BiFeO3纳米点，从而达到BiFeO3纳米点大小精准可控的目的。同时这种方法不掺杂任何外来原子，不会破坏BiFeO3样品。进一步，步骤(1)中，所述单晶衬底为LaAlO3。LaAlO3对钙钛矿结构材料晶格匹配性好，是外延生长钙钛矿结构材料极好的衬底材料。进一步，步骤(1)中，所述底电极层为CexCa1-xMnO3(x＝0.04)或者La1-xSrxMnO3，所述底电极层厚度为5～10nm。CexCa1-xMnO3(x＝0.04)和La1-xSrxMnO3均属于钙钛矿结构氧化物，与单晶衬底LaAlO3相互具有很好的晶格匹配性，能够顺利地在LaAlO3表面外延生长。同时CexCa1-xMnO3(x＝0.04)和La1-xSrxMnO3与BiFeO3也具有很好的晶格匹配性，并且拥有特殊的电磁特性，有利于后续外延生长BiFeO3层及后期电学性质的测试。进一步，步骤(1)中，所述BiFeO3层厚度为30～60nm，包括菱形相/四方相混合相和纯四方相，且菱形相/四方相混合相的比例为20％。若BiFeO3层很厚，则会形成纯菱形相。若BiFeO3层很薄，所受的应力很大，可能全畸变成纯四方相。BiFeO3在基态时属于菱形相，当BiFeO3在LaAlO3衬底上外延生长30～60nm时，晶格失配度达4.5％以上，外延应力增加，从而使BiFeO3不再保持菱形相对称性，部分畸变成四方相结构，且畸变后包括菱形相/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20％。进一步，步骤(1)中，所述聚苯乙烯小球直径为250～1000nm。聚苯乙烯小球能够在BiFeO3层表面形成一聚合物保护层，有利于后续使用氩离子束将BiFeO3层刻蚀成纳米点。同时通过使用不同直径的聚苯乙烯小球，可以得到直径不同、结构均匀的纳米点，达到纳米点大小精准可控的目的。进一步，步骤(1)中，所述外延生长采用脉冲激光沉积法，所述脉冲激光沉积法操作条件为：脉冲激光能量为300～380mJ，频率为2～8Hz，氧压为2～15Pa，生长温度为600～700℃。进一步，步骤(2)中，所述氧等离子分割时间为10～30min。单层聚苯乙烯小球中的聚苯乙烯小球相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种BiFeO3薄膜，其特征在于：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，其中所述菱形相/四方相混合相的比例为50～80％。

【技术特征摘要】
1.一种BiFeO3薄膜，其特征在于：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，其中所述菱形相/四方相混合相的比例为50～80％。2.根据权利要求1所述BiFeO3薄膜，其特征在于：所述BiFeO3纳米点直径为200～1000nm，所述BiFeO3纳米点深度为30～50nm。3.一种BiFeO3薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(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。4.根据权利要求3所述BiFeO3薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述单晶衬底为LaAlO3；所述底电极层为CexCa1-xMnO3(x＝0.04)或者La1-xSrxMnO3，所述底电极层厚度为5～10nm。5.根据权利要求3所述BiFeO3薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述BiFeO3层厚度为30～60nm，包括菱形相/四方相混合相和纯四方...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈德杨，孙菲，田国，陈超，邓雄，高兴森，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44