一种(012)晶面择优取向的Bi1‑xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种(012)晶面择优取向的Bi1‑xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜及其制备方法。以硝酸盐和醋酸锰等为原料，乙二醇甲醚和乙酸酐为溶剂制备前驱液，再在FTO基板上采用旋涂和逐层退火工艺制备Bi1‑xYbxFe0.98Mn0.02O3薄膜。制得的薄膜沿(012)晶面择优取向生长，其漏电流密度相比纯BFO薄膜减小了2～3个数量级，显著降低了BFO薄膜的漏电流密度，改善了BFO薄膜的铁电性能。本发明专利技术采用溶胶‑凝胶法制备薄膜，设备要求简单，适宜在大的表面和形状不规则的表面上制备薄膜，制备的薄膜均匀性较好，且化学组分精确可控。通过离子掺杂，有效地提高了薄膜的铁电和铁磁性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于功能材料领域，涉及在功能化的FTO/glass基板表面制备(012)晶面择优取向的Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜的方法。
技术介绍
作为一种无铅环保的铁电材料，BiFeO3(BFO)理论的剩余极化值达到100μC/cm2，是普通的Pt(ZrTi)O3(PZT)铁电材料的3倍左右，并且BFO同时具有优异的压电和铁磁性能。由于这些优点的存在，使BFO有望取代含铅的PZT铁电材料，在信息存储、传感器、微机电系统等方面得到广泛的发展应用，是当前多铁材料研究的热点之一。但是，BFO在具备优异的铁电、压电和铁磁性能的同时，还存在着严重的漏电现象、较大的矫顽场和宏观弱磁性，无法达到实际应用的要求，从而限制了BFO的发展和应用。为了解决这些问题，研究人员做出了很多的努力。目前解决BFO严重的漏电现象、较大的矫顽场以及宏观弱磁性主要采用掺杂和复合的方法。掺杂又可分为A位掺杂、B位掺杂和A/B位共掺杂。A位离子的半径大小决定了晶格的扭曲程度，从而影响材料的铁电极化和磁性结构。A位掺杂可采用不同价态阳离子，如碱金属中的Sr、Ba、Ca离子。当掺杂离子取代Bi离子后，就会造成内部电荷不平衡，而为了维持电中性，B位上的Fe3+就会发生价态波动来进行电荷补偿。A位掺杂还可以采用稀土金属离子，如Pr、Gd、Ga、Yb离子等，由于离子半径的差异会造成晶格的扭曲，达到影响材料性能的目的。因为在A位上的取代一方面减少了由于Bi3+挥发造成的氧空位和晶格缺陷，另一方面其引起的Fe3+离子的价态波动对铁电性能有较大影响。在B位上掺杂主要是考虑到B位离子的d轨道填充状态直接影响该结构材料的磁性能。所以，在B位上掺杂主要选用磁性离子如Mn、Co、Cr等，从而改善BFO的弱磁性。还可以在B位上掺杂非磁性高价阳离子如Nb等部分替代BiFeO3的B位Fe3+离子。这是因为高价阳离子取代Fe3+离子，使Fe3+离子含量降低，相应的Fe2+离子的浓度就会降低。同时，为了维持电荷平衡，带正电的氧空位的浓度也会降低，从而达到降低其漏电流、提高铁电性的目的。而在A/B位上同时进行离子掺杂可以兼具A位掺杂和B位掺杂的优点，即同时达到降低漏电流、提高铁电性和铁磁性的目的。而目前还没有采用在Bi位、Fe位上同时进行掺杂制备Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜来降低BFO薄膜的漏电流密度，改善BFO薄膜的铁电性能的相关报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种(012)晶面择优取向的Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜及其制备方法，该方法操作简单，制得的Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜具有明显的(012)晶面择优取向生长，能够改善BFO薄膜的铁电性能。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种(012)晶面择优取向的Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜，该薄膜的结构式为Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3，x＝0.06～0.12；该薄膜属于三方结构，空间群为R3c:H，晶胞参数a＝b＝5.5810，c＝13.8757，且该薄膜沿(012)晶面择优取向生长。在测试频率为1kHz的条件下，该薄膜的介电常数为366～493；在电场为200kV/cm的条件下，该薄膜的漏电流密度为8.04×10-5～1.34×10-4A/cm2。在测试频率为1kHz，最大测试电场为945kV/cm的条件下，该薄膜的剩余极化强度为78～150μC/cm2，矫顽场为314～362kV/cm，正向反转电流为0.57～0.91mA，且随着正向反转电流的增加，剩余极化值逐渐增大。所述的(012)晶面择优取向的Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜的制备方法，包括以下步骤：1)将Bi(NO3)3·5H2O、Yb(NO3)3·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O、C6H9MnO6·2H2O作为原料，按照摩尔比为1.05-x:x:0.98:0.02加入到乙二醇甲醚中，搅拌至完全溶解，再加入乙酸酐搅拌均匀，得到前驱液，其中x＝0.06～0.12；2)采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂前驱液，得到湿膜，湿膜经匀胶后在190～210℃下烘烤得干膜，再于540～560℃下在空气中退火，然后随炉冷却至室温，得到Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3薄膜；3)在得到的Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3薄膜上重复步骤2)，直至达到所需厚度，即得到(012)晶面择优取向的Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜。所述步骤1)中搅拌至完全溶解所需的时间为20～40min，搅拌均匀所需的时间为80～100min。所述前驱液中乙二醇甲醚和乙酸酐的体积比为(2.5～3.5):1，前驱液中金属离子的总浓度为0.2～0.4mol/L。所述步骤2)在进行前先将FTO/glass基板表面依次用洗洁精、丙酮、无水乙醇清洗干净，封存在无水乙醇中备用；然后取出要使用的FTO/glass基板，用去离子水洗净、吹干，再在紫外光照射仪中照射30～40min。所述步骤2)中的匀胶转速为3600～4000r/min，匀胶时间为12～18s。所述步骤2)中匀胶后的烘烤时间为6～10min，退火时间为10～15min。相对于现有技术，本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的(012)晶面择优取向的Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜，是通过对BFO薄膜进行A/B位共掺杂得到的，即采用镧系金属Yb掺杂A位和过渡金属Mn掺杂B位，有效地提高了BFO薄膜的介电性能和铁电性能。由于A位离子的半径大小决定晶格的扭曲程度，从而影响材料的铁电极化和磁性结构，以达到提高薄膜性能的目的；另外，Yb离子的半径小于Bi离子的半径，所以会在一定程度上影响薄膜的晶体结构和晶体的生长取向。在B位上掺杂过渡金属Mn离子，由于Mn离子的变价特性，能够减少在退火过程中的Fe3+向Fe2+转换，并且较好的抑制氧空位的产生，从而提高BFO薄膜的性能。本专利技术提供的(012)晶面择优取向的Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜的制备方法，先以硝酸铋(过量5％)、硝酸镱、硝酸铁、醋酸锰为原料配制前驱液，再在FTO/glass基板上采用旋涂法和逐层退火的工艺制备出致密度高晶粒尺寸均匀的(012)晶面择优取向的Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜。本专利技术采用溶胶-凝胶法制备Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜，相比于物理制备方法和其它的化学方法，溶胶-凝胶法对设备的要求低，适宜在大的表面和形状不规则的表面上制备薄膜，制备的薄膜均匀性较好。并且通过离子掺杂，可以制备出精确化学成分的薄膜，能够有效地提高薄膜的铁电性能，还有效的降低了薄膜的漏电流密度。进一步的，本专利技术制得的Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜具有较好的介电稳定性和铁电性能，其漏电流密度相比纯BiFeO3减小了2～3个数量级，显著降低了BFO薄膜的漏电流密度，改善了BFO薄膜的铁电性能。附图说明图1是本专利技术制备的(012)晶面择优取向的Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种(012)晶面择优取向的Bi1‑xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜，其特征在于：该薄膜的结构式为Bi1‑xYbxFe0.98Mn0.02O3，x＝0.06～0.12；该薄膜属于三方结构，空间群为R3c:H，晶胞参数a＝b＝5.5810，c＝13.8757，且该薄膜沿(012)晶面择优取向生长。

【技术特征摘要】
1.一种(012)晶面择优取向的Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜，其特征在于：该薄膜的结构式为Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3，x＝0.06～0.12；该薄膜属于三方结构，空间群为R3c:H，晶胞参数a＝b＝5.5810，c＝13.8757，且该薄膜沿(012)晶面择优取向生长。2.根据权利要求1所述的(012)晶面择优取向的Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜，其特征在于：在测试频率为1kHz的条件下，该薄膜的介电常数为366～493；在电场为200kV/cm的条件下，该薄膜的漏电流密度为8.04×10-5～1.34×10-4A/cm2。3.根据权利要求1所述的(012)晶面择优取向的Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜，其特征在于：在测试频率为1kHz，最大测试电场为945kV/cm的条件下，该薄膜的剩余极化强度为78～150μC/cm2，矫顽场为314～362kV/cm，正向反转电流为0.57～0.91mA，且随着正向反转电流的增加，剩余极化值逐渐增大。4.权利要求1-3中任意一项所述的(012)晶面择优取向的Bi1-xYbxFe0.98Mn0.02O3铁电薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将Bi(NO3)3·5H2O、Yb(NO3)3·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O、C6H9MnO6·2H2O作为原料，按照摩尔比为1.05-x:x:0.98:0.02加入到乙二醇甲醚中，搅拌至完全溶解，再加入乙酸酐搅拌均匀，得到前驱液，其中x＝0.06～0.12；2)采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂前驱液，得到湿膜，湿膜经匀胶后在190～210℃下烘烤得干膜，再于540～...

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