一种高剩余极化强度和高介电常数BiFe0.96-yMn0.04CryO3铁电薄膜及其制备方法，将硝酸铋、硝酸铁、乙酸锰和硝酸铬按1.05:（0.96-y）:0.04:y的摩尔比混合后溶于混合的乙二醇甲醚中，然后加入醋酸酐，得到金属离子浓度为0.003～0.3mol/L的BiFe0.96-yMn0.04CryO3前驱液；采用旋涂法将BiFe0.96-yMn0.04CryO3前驱液匀胶在表面达到原子清洁度的FTO/glass基片上制备薄膜，然后烘干得干膜，再采用层层退火工艺得到晶态BiFe0.96-yMn0.04CryO3薄膜。该方法设备要求简单，实验条件容易达到，制备的薄膜均匀性较好，掺杂量容易控制，并且能够大幅度提高薄膜的铁电性能和介电性。
【技术实现步骤摘要】
—种高剩余极化强度和高介电常数BiFea96_yMn。.JryO3铁电薄膜及其制备方法
本专利技术属于功能材料领域，具体涉及ー种高剩余极化强度和高介电常数BiFe0.96_yMnQ.04Cry03铁电薄膜及其制备方法。
技术介绍
BiFeO3作为极少数ー种在室温下同时具有铁电性，铁磁性，反铁电以及反铁磁性的新型単相多铁材料。BiFeO3具有三方扭曲的简单钙钛矿结构，其铁电居里温度室温Tc=810°C，铁磁尼尔温度TN=380°C。BiFeO3薄膜在信息存储、自旋电子器件、信息存储、图像显示、热释电效应、小型化集成电子器件等方面广泛应用潜力，从而引起了人们极大的兴趣。但是，纯相BiFeO3薄膜由于较大泄漏电流密度的问题，导致它无法获得饱和且较大剩余极化强度的电滞回线，从而限制了它的实际应用。此外，较低的介电常数也限制了 BiFeO3薄膜在电容器等介电性能方面的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高剩余极化强度和高介电常数BiFea9f^yMnatl4CryO3铁电薄膜及其制备方法，该方法设备要求简单，实验条件容易达到，制备的薄膜均匀性较好，掺杂量容易控制，并且能够大幅度提高薄膜的铁电性能和介电性。为了达到上 述目的，本专利技术制备高剩余极化强度和高介电常数BiFea96_yMnaMCry03铁电薄膜的方法，包括以下步骤:I)将硝酸铋、硝酸铁、こ酸锰和硝酸铬按1.05: (0.96-y):0.04:y的摩尔比混合后溶于乙二醇甲醚中，然后向其中加入醋酸酐，使硝酸铋、硝酸铁、こ酸锰和硝酸铬溶解，搅拌均匀后得到 BiFetlIyMnatl4CryO3 前驱液;其中，y=0.00 ~0.05 ；BiFe0.96_yMn0.04Cry03 前驱液中金属离子浓度为0.003~0.3mol/L ；2)采用旋涂法将BiFeciIyMnatl4CryO3前驱液匀胶在表面达到原子清洁度的FTO/glass基片上制备薄膜，匀胶结束后，在220~260°C烘烤得干膜，再在550°C保温IOmin进行层层退火处理得到高剰余极化强度和高介电常数BiFea96IMnatl4CryO3铁电薄膜。所述的步骤I)中乙二醇甲醚和醋酸酐的体积比为(3~4):1。所述的步骤I)中y=0.01~0.05。所述的步骤I)中搅拌均匀的时间为3h。所述的步骤2)中的烘烤时间为5~lOmin。ー种该方法制备的高剰余极化强度和高介电常数BiFea9f^yMnaci4CryO3铁电薄膜的化学组成为BiFeciIyMnatl4CryCVy=0.0O~0.05 ;其结构为三方结构R3c:H空间结构群和三方结构R3m:R结构空间群并存。y=0.02，该铁电薄膜的化学组成为 BiFea94Mnatl4Cratl2O3, IkHz 频率，726.56kV/cm测试电场下的饱和极化强度为126.24 u C/cm2,剩余极化强度为108.89 u C/cm2,矫顽场为329.97kV/cm ;在IkHz~IMHz的测试频率范围内，BiFea94Mnatl4Cratl2O3薄膜的介电常数变化范围为300~211。本专利技术的进一步改进在于，所述的步骤3)中匀胶速度为3500~4000r/min，匀胶时间为15s。对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果:本专利技术方法选择过度元素Mn、Cr进行双B位掺杂，由于Mn2+、Cr3+半径小于Fe3+，掺杂后，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，使薄膜的极化程度增大；Mn，Cr容易变价，Mn以Mn2+/3+混合态的化合价存在，Cr以Cr3+/6+混合态的化合价存在，Mn2+转变为Mn3+，以及Cr6+离子的存在，都会出现补偿电子从而拟制氧空位的产生；同时双B位Mn和Cr 二元共掺杂改善了薄膜表面形貌，提高薄膜的致密度，减少了薄膜的表面缺陷，因此，本专利技术制得的BiFe0.96_yMn0.04Cry03铁电薄膜较大幅度的提高了薄膜的铁电性和介电性。本专利技术采用了溶胶-凝胶法(Sol-Gel法)制备BiFecHyMnaci4CryO3铁电薄膜,与现有方法相比，该方法具有设备简单，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。进一步，本专利技术中采用溶胶凝胶法制备BiFeO3铁电薄膜，通过双B位Mn和Cr共掺杂，在FTO基板上制备Mn和Cr共掺杂的BiFeO3薄膜，这种方法能够制备出一种BiFe0.94Mn0.04Cr0.C12O3铁电薄膜；通过里特维德精修，其结构为三方结构R3c: H空间结构群(74.08%)和三方结构R3m:R结构空间群(25.92%)并存，IkHz频率，726.56V/cm测试电场下的饱和极化强度为126.24 μ C/cm2，剩余极化强度为108.89 μ C/cm2，矫顽场为329.97kV/cm ;在IkHz~IMHz的测试频率范围内，BiFea94Mnatl4Cratl2O3薄膜的介电常数变化范围为300 ~211。【附图说明】图1是本专利技术实施例3制备的BiFea94Mnatl4Cratl2O3铁电薄膜的XRD图；图2是本专利技术实施例3制备的BiFea94Mnatl4Cratl2O3铁电薄膜的XRD的里特维德精修图；图3是本专利技术实施例3制备的BiFea94Mnatl4Cratl2O3铁电薄膜的SEM图；图4是本专利技术实施例3制备的BiFea94Mnatl4Cratl2O3铁电薄膜的电滞回线图；图5是本专利技术实施例3制备的BiFea94Mnatl4Cratl2O3薄膜的介电频谱图。【具体实施方式】实施例1:I)将 Bi (NO3) 3.5H20、Fe (NO3) 3.5H20、C4H6MnO4.4H20 和 Cr (NO3) 3.9H20 按1.05:0.96:0.04:0.00的摩尔比混合后溶于乙二醇甲醚中，然后向其中加入醋酸酐，使硝酸铋、硝酸铁、乙酸锰和硝酸铬充分溶解，磁力搅拌3h后得到稳定的BiFea96Mnatl4O3前驱液；其中，乙二醇甲醚和醋酸酐的体积比为3:1，BiFea96Mnatl4O3前驱液中金属离子浓度为0.003 ~0.3mol/L ；2)采用旋涂法将BiFea96Mnatl4O3前驱液匀胶在表面达到原子清洁度的FTO/glass基片上制备薄膜，匀胶速度为3500r/min，匀胶15s，匀胶结束后，在260°C烘烤5min得干膜，然后采用层层退火处理得到高剰余极化强度和高介电常数BiFetl.96Mn0.0403铁电薄膜。其中，层层退火处理中毎次退火温度为550°C退火保温时间为lOmin。在高剰余极化强度和高介电常数BiFea96Mnatl4O3铁电薄膜铁电薄膜表面离子溅射制备0.502mm2的Au电极，然后300°C保温20min进行电极退火处理。用TF2000铁电测试系统测试高剰余极化强度和高介电常数BiFea96Mnatl4O3铁电薄膜的铁电性能，在IkHz频率、726.56kV/cm的测试电场下测得，其饱和极化强度为84.90 y C/cm2，剩余极化强度为75.64 u C/cm2,矫顽场为340.18kV/cm ;用安捷伦Agilent B2901A测试高本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种制备高剩余极化强度和高介电常数BiFe0.96?yMn0.04CryO3铁电薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）将硝酸铋、硝酸铁、乙酸锰和硝酸铬按1.05:（0.96?y）:0.04:y的摩尔比混合后溶于乙二醇甲醚中，然后向其中加入醋酸酐，使硝酸铋、硝酸铁、乙酸锰和硝酸铬溶解，搅拌均匀后得到BiFe0.96?yMn0.04CryO3前驱液；其中，y=0.00～0.05；BiFe0.96?yMn0.04CryO3前驱液中金属离子浓度为0.003～0.3mol/L；2）采用旋涂法将BiFe0.96?yMn0.04CryO3前驱液匀胶在表面达到原子清洁度的FTO/glass基片上制备薄膜，匀胶结束后，在220～260℃烘烤得干膜，再在550℃保温10min进行层层退火处理得到高剩余极化强度和高介电常数BiFe0.96?yMn0.04CryO3铁电薄膜。
【技术特征摘要】
1.一种制备高剩余极化强度和高介电常数BiFea9f^yMnaci4CryO3铁电薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)将硝酸铋、硝酸铁、乙酸锰和硝酸铬按1.05: (0.96-y):0.04:y的摩尔比混合后溶于乙二醇甲醚中，然后向其中加入醋酸酐，使硝酸铋、硝酸铁、乙酸锰和硝酸铬溶解，搅拌均匀后得到 BiFetlIyMnatl4CryO3 前驱液；其中，y=0.00 ~0.05 ；BiFe0.96_yMn0.04Cry03 前驱液中金属离子浓度为0.003~0.3mol/L ； 2)采用旋涂法将BiFea9f^yMnaci4CryO3前驱液匀胶在表面达到原子清洁度的FTO/glass基片上制备薄膜，匀胶结束后，在220~260°C烘烤得干膜，再在550°C保温IOmin进行层层退火处理得到高剩余极化强度和高介电常数BiFea9f^yMnaci4CryO3铁电薄膜。2.根据权利要求1所述的制备高剩余极化强度和高介电常数BiFea9f^yMnaci4CryO3铁电薄膜的方法，其特征在于:所述的步骤I)中乙二醇甲醚和醋酸酐的体积比为(3~4):1。3.根据权利要求1所述的制备高剩余极化强度和高介电常数BiFea9f^yMnaci4CryO3铁电薄膜的方法，其特征在于:所述的步骤I)中y=0.01~0.05。...
【专利技术属性】
技术研发人员：谈国强，刘文龙，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：
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