一种Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜及其制备方法，用硝酸铋、硝酸镨、硝酸AE、硝酸铁和硝酸锰制备Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3前驱液；AE为Sr、Ca或Ba，x＝0.02～0.05，在基板上旋涂上述前驱液，再经匀胶、烘干、退火，得Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜。本发明专利技术设备要求简单，实验条件容易达到，掺杂量容易控制，能大幅度提高薄膜的铁电性能，制得的Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜均匀性好，漏电流小，矫顽场低，并具有较高的剩余极化强度。

【技术实现步骤摘要】
一种Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜及其制备方法
本专利技术属于功能材料领域，具体涉及一种Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜及其制备方法。
技术介绍
BiFeO3(BFO)是一种典型的单相多铁性材料，在室温下同时具有铁电性和铁磁性，具有高的居里温度(TC～1103K)和尼尔温度(TN～640K)。BFO中铁电性和磁性共存，使得材料具有磁电耦合效应，即在该材料中电场可以诱导磁化，磁场可以诱导极化。这一特性，在磁读电写的新型记忆元件方面有着诱人的应用前景。例如磁电变换转换器、光开关、光全息存储及传感器等等。信息存入是依赖于极化的方向，利用铁电体的正负剩余极化状态(±Pr)存储信息，信息的读取时利用极化翻转的电流。这就要求铁电存储器的存储介质，即铁电薄膜的剩余极化要大，这样才能在小面积的电容器上获得大的极化翻转电流；矫顽场足够小，能够满足铁电存储器的低电压运行。目前用于制备BiFeO3薄膜的方法有很多，但是制备的BiFeO3薄膜漏电流较高，矫顽场较大，磁性较弱，而且只有在一定的厚度和高压下才能观察到饱和的P-E电滞回线。因此为了满足未来微电子器件的要求，降低BiFeO3-基薄膜的漏电流、矫顽场和厚度，以及提高薄膜的铁电和铁磁性能是目前亟待解决的几个关键问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜及其制备方法，能够提高BiFeO3薄膜的剩余极化值，降低矫顽场。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜，其化学式为Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3，其中AE为Sr、Ca或Ba，x＝0.02～0.05。其晶型为三方结构，空间群为R-3m:R，晶胞参数α＝β＝γ＝89.7177°。其在200kV/cm外加电场下的漏电流密度为2.98×10-4A/cm2；在1kHz频率及690kV/cm测试电场下的剩余极化强度为82μC/cm2，矫顽场为290kV/cm；在1kHz频率下的介电常数为290；在室温下的饱和磁化强度为1.97emu/cm3。一种Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤1，按摩尔比为0.9-x:0.15:x:0.97:0.03将硝酸铋、硝酸镨、硝酸AE、硝酸铁和硝酸锰溶于溶剂中，得到Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3前驱液，其中AE为Sr、Ca或Ba，x＝0.02～0.05，Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3前驱液中金属离子的总浓度为0.25～0.35mol/L，溶剂为乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液；步骤2，采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3前驱液，得湿膜，湿膜经匀胶后在180～210℃烘烤，得干膜，干膜在540～550℃退火，得到Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3薄膜；步骤3，冷却后，在Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3薄膜上重复步骤2，直至达到所需厚度，得到Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜。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2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Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3前驱液。所述步骤2中的匀胶转速为3800～4100r/min，匀胶时间为12～15s。所述步骤2中的烘烤时间为8～12min。所述步骤2的退火时间为7～9min。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Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜的制备方法，选择碱土元素AE和稀土元素Pr进行A位掺杂，选择过渡金属Mn进行B位掺杂。由于碱土金属元素AE的离子半径相近于Bi3+，Mn2+半径小于Fe3+，掺杂后，碱土金属元素和Mn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Pr3+对Bi3+的进一步的替代，以及Mn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，同时释放出其宏观磁性，提高薄膜的铁电性和铁磁性。本专利技术通过碱土元素AE、稀土元素Pr和过渡金属元素Mn三元素共掺杂BiFeO3，形成具有优异铁电性能的Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜。2.目前用于制备BiFeO3薄膜的方法有很多，如化学气相沉积法(CVD)、磁控溅射法(rfmagnetronsputtering)、金属有机物沉积法(MOD)、金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)、液相沉积法(LPD)、分子束外延法(MBE)、脉冲激光沉积法(PLD)、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)等。相比其他方法，Sol-Gel方法由于设备简单，反应容易进行，反应温度较低，易操作，适宜在大的表面和形状不规则的表面上制备薄膜，易实现分子水平上的均匀掺杂，以及化学组分精确可控等优点而被广泛用来制备铁电材料。本专利技术中采用溶胶凝胶法，通过稀土元素Pr，碱土元素AE和过渡金属元素Mn三元素共掺杂BiFeO3，在FTO基板上制备Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜。本专利技术设备要求简单，实验条件容易达到，掺杂量容易控制，制得的Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜均匀性好，并具有较低的漏电流密度，较大的剩余极化强度，较高的抗击穿电场，较小的矫顽场，以及较为优异的铁电和铁磁性能。3.本专利技术提供的Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜，在原本近似呈钙钛矿结构的铁酸铋晶格中掺杂碱土元素AE，稀土元素Pr和过渡金属元素Mn，使铁酸铋晶格扭曲，结构畸变加剧，能够减少氧空位的含量，抑制Fe3+向Fe2+转变，从而减少薄膜中的缺陷，减小薄膜的漏导电流，有效提高薄膜的磁电性能，使本专利技术制得的Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜具有较高的抗击穿电场、较低的漏电流密度、较大的剩余极化强度、较小的矫顽场以及优异的铁电性能和铁磁性能。附图说明图1是本专利技术制备的Bi0.83Pr0.15Sr0.02Fe0.97Mn0.03O3薄膜的XRD图；图2是本专利技术制备的Bi0.83Pr0.15Sr0.02Fe0.97Mn0.03O3薄膜的SEM图；图3是本专利技术制备的Bi0.83Pr0.15Sr0.02Fe0.97Mn0.03O3薄膜的介电常数图；图4是本专利技术制备的Bi0.83Pr0.15Sr0.02Fe0.97Mn0.03O3薄膜的漏电流密度图；图5是本专利技术制备的Bi0.83Pr0.15Sr0.02Fe0.97Mn0.03O3薄膜的电滞回线图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Bi0.85‑xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜，其特征在于：其化学式为Bi0.85‑xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3，其中AE为Sr、Ca或Ba，x＝0.02～0.05。

【技术特征摘要】
1.一种Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜，其特征在于：其化学式为Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3，其中AE为Sr、Ca或Ba，x＝0.02～0.05；其晶型为三方结构，空间群为R-3m:R，晶胞参数α＝β＝γ＝89.7177°；其在200kV/cm外加电场下的漏电流密度为2.98×10-4A/cm2；在1kHz频率及690kV/cm测试电场下的剩余极化强度为82μC/cm2，矫顽场为290kV/cm；在1kHz频率下的介电常数为290；在室温下的饱和磁化强度为1.97emu/cm3。2.权利要求1所述的Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3铁电薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，按摩尔比为0.9-x:0.15:x:0.97:0.03将硝酸铋、硝酸镨、硝酸AE、硝酸铁和硝酸锰溶于溶剂中，得到Bi0.85-xPr0.15AExFe0.97Mn0.03O3前驱液，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：谈国强，晏霞，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