一种多铁性Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3-NiFe2O4 复合膜及其制备方法技术

一种多铁性Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3-NiFe2O4复合膜及其制备方法，该复合膜包括复合在一起的Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3晶态膜和NiFe2O4晶态膜；制备时先分别配制Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3前驱体溶液和NiFe2O4前驱液；然后在基片上旋涂制备多层NiFe2O4膜，再在NiFe2O4膜上旋涂制备多层Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3膜，即得目标产物。本发明专利技术设备要求简单，制备的薄膜均匀性较好，掺杂量容易控制，大幅度提高了薄膜的铁电性能和铁磁性能，同时有效的降低了薄膜的漏电流密度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料领域，涉及多铁性Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3-NiFe2O4复合膜及其制备方法。
技术介绍
近年来，BiFeO3作为一种新型的铁磁电材料，具有铁电性和反铁磁性，并伴随弱的铁磁性引起了人们极大的兴趣。BiFeO3具有三方扭曲的简单钙钛矿结构，室温下同时具有铁电有序(TC＝810℃)和G型反铁磁有序(TN＝380℃)，是少数几种单相多铁材料之一。BiFeO3磁电耦在信息存储、自旋电子器件、信息存储、图像显示、热释电效应、非致冷红外焦平面阵列等方面广泛应用。然而，纯相BiFeO3存在着大漏导的问题，导致他无法获得饱和的电滞回线以及其弱铁磁性本质，从而限制了它的实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供多铁性Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3-NiFe2O4复合膜及其制备方法，该方法能够有效降低复合膜的漏电流，同时改善复合膜的铁电和铁磁性。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种多铁性Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3-NiFe2O4复合膜，包括复合在一起的下层膜和上层膜，其中下层膜为NiFe2O4晶态膜，上层膜为Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3晶态膜，RE为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu，x＝0.01～0.15。所述Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3晶态膜的晶型为三方相和四方相共存，其中三方相的空间结构群为R3m:R，四方相的空间结构群为P4；NiFe2O4晶态膜的晶型为立方相，空间结构群为Fd-3m:1。其在室温下的饱和磁化强度为20～40emu/cm3、剩余极化强度为2～10emu/cm；在40V测试电压下的漏电流强度为1×10-5～9×10-5A/cm2；在1kHz频率及937kV/cm测试电场下的饱和极化强度为70～120μC/cm2、剩余极化强度为50～90μC/cm2、矫顽场为500～800kV/cm。一种多铁性Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3-NiFe2O4复合膜的制备方法，包括以下步骤：步骤1，按摩尔比为1:2将硝酸铁和硝酸镍溶于乙二醇甲醚中，搅拌均匀后再加入醋酸酐，得到NiFe2O4前驱液；其中NiFe2O4前驱液中Fe离子浓度为0.1～0.25mol/L；步骤2，按摩尔比为1-x:0.04:x:0.94:0.04:0.02将硝酸铋、硝酸锶、硝酸RE、硝酸铁、硝酸锰和硝酸铬溶于溶剂中，得到Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3前驱体溶液，其中Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3前驱体溶液中金属离子的总浓度为0.003～0.3mol/L，RE为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu，x＝0.01～0.15，溶剂为乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液；步骤3，采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂NiFe2O4前驱液，得NiFe2O4薄膜，NiFe2O4薄膜经匀胶后在200～240℃下烘烤得干膜，再于550～600℃下在空气中退火，得到晶态NiFe2O4薄膜；步骤4，待晶态NiFe2O4薄膜冷却后，在晶态NiFe2O4薄膜上重复步骤3，直至达到所需厚度，得到NiFe2O4晶态膜；步骤5，在NiFe2O4晶态膜上旋涂Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3前驱体溶液，得Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3薄膜，Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3薄膜经匀胶后在200～260℃下烘烤得干膜，再于500～550℃下在空气中退火，得到晶态Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3薄膜；步骤6，待晶态Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3薄膜冷却后，在晶态Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3薄膜上重复步骤5，直至达到所需厚度，得到多铁性Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3-NiFe2O4复合膜。所述NiFe2O4前驱液中乙二醇甲醚和醋酸酐的体积比为(2.5～3.5):1；所述溶剂中乙二醇甲醚和醋酸酐的体积比为(2.5～3.5):1。所述步骤3在进行前先对FTO/glass基片进行清洗，然后在紫外光下照射处理，使FTO/glass基片表面达到原子清洁度，再旋涂NiFe2O4前驱液；所述步骤5在进行前先对NiFe2O4晶态膜进行紫外光照射处理，使NiFe2O4晶态膜表面达到原子清洁度，再旋涂Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3前驱体溶液。所述步骤3和步骤5中的匀胶转速为3500～4500r/min，匀胶时间为10～20s。所述步骤3和步骤5中匀胶后的烘烤时间为5～15min。所述步骤3和步骤5中退火时间为5～20min。晶态NiFe2O4薄膜的层数为2～6层，晶态Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3薄膜的层数为12～16层。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术提供的多铁性Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3-NiFe2O4复合膜的制备方法，选择镧系元素稀土元素RE(RE＝La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu)和Sr进行BiFeO3的A位掺杂，选择Cr和Mn进行B位掺杂，由于稀土元素RE的离子半径相近于Bi3+，Mn和Cr半径小于Fe3+，掺杂后，稀土元素、Mn和Cr都可以固熔进入晶格，可以使原本近似呈钙钛矿结构的铁酸铋晶格扭曲，结构畸变加剧，同时由于Sr2+对Bi3+的进一步的替代，以及Mn和Cr元素在退火过程中的变价，可以有效的拟制Bi的挥发，减少薄膜中Fe2+和氧空位的含量，从而增强薄膜在外加电场下的极化强度，降低薄膜的漏电流密度，同时释放出其宏观磁性，提高薄膜的铁电和铁磁性能。但由于BiFeO3本身具有弱磁性的本质，所以本专利技术结合NiFe2O4薄膜与其复合。NiFe2O4具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多铁性Bi0.96‑xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3‑NiFe2O4复合膜，其特征在于：包括复合在一起的下层膜和上层膜，其中下层膜为NiFe2O4晶态膜，上层膜为Bi0.96‑xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3晶态膜，RE为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu，x＝0.01～0.15。

【技术特征摘要】
1.一种多铁性Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3-NiFe2O4复合膜，其特征在
于：包括复合在一起的下层膜和上层膜，其中下层膜为NiFe2O4晶态膜，上层膜
为Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3晶态膜，RE为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、
Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu，x＝0.01～0.15。
2.根据权利要求1所述的多铁性Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3-NiFe2O4复合膜，其特征在于：所述Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3晶态膜的晶型为三
方相和四方相共存，其中三方相的空间结构群为R3m:R，四方相的空间结构群
为P4；NiFe2O4晶态膜的晶型为立方相，空间结构群为Fd-3m:1。
3.根据权利要求1所述的多铁性Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3-NiFe2O4复合膜，其特征在于：其在室温下的饱和磁化强度为20～40emu/cm3、剩余极化
强度为2～10emu/cm；在40V测试电压下的漏电流强度为1×10-5～9×10-5A/cm2；
在1kHz频率及937kV/cm测试电场下的饱和极化强度为70～120μC/cm2、剩余极
化强度为50～90μC/cm2、矫顽场为500～800kV/cm。
4.一种多铁性Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3-NiFe2O4复合膜的制备方
法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按摩尔比为1:2将硝酸铁和硝酸镍溶于乙二醇甲醚中，搅拌均匀后
再加入醋酸酐，得到NiFe2O4前驱液；其中NiFe2O4前驱液中Fe离子浓度为
0.1～0.25mol/L；
步骤2，按摩尔比为1-x:0.04:x:0.94:0.04:0.02将硝酸铋、硝酸锶、硝酸RE、
硝酸铁、硝酸锰和硝酸铬溶于溶剂中，得到Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3前
驱体溶液，其中Bi0.96-xSr0.04RExFe0.94Mn0.04Cr0.02O3前驱体溶液中金属离子的总浓
度为0.003～0.3mol/L，RE为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、

\tEr、Tm、Yb或Lu，x＝0.01～0.15，溶剂为乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液；
步骤3，采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂NiFe2O4前驱液，得NiFe2O4薄膜，NiFe2O4薄膜经匀胶后在200～240℃下烘烤得干膜，再于550～600℃下在
空气中退火，得到晶态NiFe2O4薄膜；
步骤4，待晶态NiFe2O4薄膜冷却后，在晶态NiFe2O4薄膜上重复步骤3，
直至达到所需厚度，得到NiFe2O4晶态膜；
步骤5，在NiFe2O4...

【专利技术属性】
技术研发人员：谈国强，刘文龙，任慧君，夏傲，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61