一种逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜及其制备方法，将硝酸铋、硝酸铁和硝酸溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液中，得到前驱液A；将硝酸铋、硝酸铁和硝酸钐溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液中，得到前驱液B；先用前驱液A旋涂在FTO/glass基片上，烘烤并退火制备Tb掺杂的晶态的BiFeO3薄膜，在此薄膜上旋涂前驱液B，烘烤并退火制备出Sm掺杂的晶态的BiFeO3薄膜，在Sm掺杂的晶态的BiFeO3薄膜上交替制备Tb掺杂的晶态的BiFeO3薄膜和Sm掺杂的晶态的BiFeO3薄膜，即得到逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜。本发明专利技术采用溶胶凝胶工艺，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，且化学组分精确可控。
【技术实现步骤摘要】
—种逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜及其制备方法
本专利技术属于功能材料领域，具体涉及一种逐层交替掺杂低漏电流BiFeOj^膜及其制备方法。
技术介绍
近年来以BiFeO3为代表的多铁性化合物体系，已形成一个世界范围的单相多铁性磁电材料的研究热潮。它在室温下同时具有铁电有序和反铁磁有序，由于具有较闻的铁电相变温度(TC=1103K)和磁相变温度(TN=643K)，因此BiFeO3成为可广泛应用于微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域的重要功能材料。BiFeOj^膜最大的问题就是低电阻率，无法在室温下测量其铁电性质。一方面，传统的慢速退火工艺制备BiFeO3时，氧空位在高温退火下达到动态平衡，当退火过程结束，部分氧空位滞留其中，形成氧空位的聚集，引起氧剂量的偏移，这种偏移使得铁价态发生波动(Fe3+转化为Fe2+)。铁价态的波动导致大的漏导，从而使BiFeO3漏电流较大，由于大的漏导使其铁电性无法正确测量而获得饱和极化。另一方面，BiFeO3本身具有的低介电常数和低电阻率等性质致使很难观测到电滞回线，上述这些特点都大大地限制了 BiFeOj^膜的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3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BiFeO3薄膜均匀性较好，掺杂量容易控制，BiFeO3薄膜的绝缘性得到增强，同时漏导减小。为了达到上述目的，本专利技术逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜的制备方法，包括以下步骤:I)将 Bi(NO3)3.5H20、Fe (NO3) 3.9H20 以及 Tb (NO3) 3.6H20 按(0.91-0.97):1:(0.08-0.14)的摩尔比溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液中搅拌均匀，得到前驱液A ;将Bi(NO3)3.5H20、Fe(N03)3.9H20 和 Sm(NO3)3.6H20 按(0.90-0.97):1: (0.08-0.15)的摩尔比溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液中搅拌均匀，得到前驱液B;其中，前驱液A和前驱液B中总的金属离子浓度均为0.1~0.5mol/L ；2)将前驱液A旋涂在FTO/glass基片上，然后于180~260°C烘烤得干膜，再在550°C下退火8~lOmin，即得Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜；3)将Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜冷却，在冷却后Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜上旋涂前驱液B，然后于180~260°C烘烤得干膜，再在550°C下退火8~lOmin，即在Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜上制备出Sm掺杂的晶态BiFeO3薄膜；4)在Sm掺杂的晶态BiFeO3薄膜上交替制备Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜和Sm掺杂的晶态BiFeO3薄膜，得到逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜。所述的步骤I)混合液中乙二醇甲醚和醋酸酐的体积比为(1:1)~(4:1)。所述的步骤I)在制备前驱液A时，Bi (NO3) 3.5H20、Fe (NO3) 3.9H20以及Tb (NO3)3 *6H20 的摩尔比为 0.94:1:0.11，在制备前驱液 B 时，Bi (NO3)3 CH2CKFe (NO3)3.9Η20和 Sm(NO3)3.6Η20 的摩尔比为 0.91:1:0.14。所述的步骤2)中的前驱液A在旋涂在FTO/glass基片上之前静置24~32h。所述的步骤3)中的前驱液B在旋涂在FTO/glass基片上之前静置24~32h。所述的步骤2)和步骤3)中的烘烤时间为6~12min。一种采用所述的方法制备的逐层交替掺杂低漏电流B i FeO3薄膜的晶粒尺寸在50~80nm,为六方结构属于R3c空间群,在500kV/cm的高电场下漏电流密度为10_5A/cm2。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果:1、本专利技术选择镧系元素Tb和Sm进行A位掺杂，在BiFeO3的A位掺杂镧系元素可以稳定钙钛矿结构中的铁氧八面体，同时由于Tb替代了部分Bi，使得Bi在退火过程中的挥发量减少从而减少了氧空位的产生，因此能够有效的增强薄膜的绝缘性，减小漏导。而且A位掺杂也会在一定程度上破坏BiFeO3结构中周期性的磁螺旋结构，故而也可以改善其磁性能。而且在本专利技术中采用逐层交替掺杂的方式能通过薄膜内部界面效应，阻碍电子或者空穴在电场作用下的传递，可以进一步减小漏电流密度。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(rf magnetron sputtering)、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)等。相比其他方法，由于溶胶-凝胶法(Sol-Gel方法)具有不需要昂贵的真空设备，适宜在大的表面和形状不规则的表面上制备薄膜，而且Sol-Gel法制备BiFeO3薄膜所需温度低，有利于解决BiFeO3薄膜制备过程中的Fe变价和Bi挥发的问题；同时易于掺杂改性，可以有效地控制薄膜的组分和结构，薄膜化学成分比较容易控制，特别适于制备多组元氧化物薄膜材料，能精确控制薄膜的化学计量比和掺杂；因此，本专利技术采用Sol-Gel方法以逐层交替掺杂的形式制备逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜。3、本专利技术设备要求简单，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，并且可通过多元掺杂大幅度提高薄膜的电性能。这种方法能够制备出在500kV/cm的高电场下漏电流密度仍保持在10_5A/cm2左右的BiFeO3薄膜。【附图说明】图1是纯相BiFeO3和实施例1制备的逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜的XRD图；其中，a为纯相BiFeO3, b为实施例1制备的逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜；图2是本专利技术实施例1制备的逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜的SEM图；图3是纯相BiFeO3和实施例1制备的逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜的漏电流图；其中，a为纯相BiFeO3, b为实施例1制备的逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜。【具体实施方式】实施例1:I)将 Bi (NO3) 3.5H20、Fe (NO3) 3.9H20 和 Tb (NO3) 3.6H20 按 0.94:1:0.11 的摩尔比溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液中，搅拌2h使均匀，得到前驱液A ;将Bi(NO3)3.5H20、Fe (NO3)3.9H20和Sm(NO3)3.6H20按0.91:1:0.14的摩尔比为溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液中，搅拌2h使均匀，得到前驱液B ;其中，前驱液A和前驱液B中总的金属离子浓度均为0.3mol/L ;混合液中乙二醇甲醚和醋酸酐的体积比为3:1 ;2)将前驱液A静置24h,然后将静置后的前驱液A旋涂在FTO/glass基片上,再于200°C烘烤得8min得干膜，然后在550°C下退火lOmin，即得Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜；3)将Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜冷却，并将前驱液静置32h，在冷却后Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜上旋涂前驱液B，然后于200°C烘烤Smin得干膜；再在550°C温度下退火IOmin,即在Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜上制备出Sm掺本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种制备逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）将Bi(NO3)3·5H2O、Fe(NO3)3·9H2O以及Tb(NO3)3·6H2O按（0.91?0.97）:1:（0.08?0.14）的摩尔比溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液中搅拌均匀，得到前驱液A；将Bi(NO3)3·5H2O、Fe(NO3)3·9H2O和Sm(NO3)3·6H2O按（0.90?0.97）:1:（0.08?0.15）的摩尔比溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液中搅拌均匀，得到前驱液B；其中，前驱液A和前驱液B中总的金属离子浓度均为0.1～0.5mol/L；2）将前驱液A旋涂在FTO/glass基片上，然后于180～260℃烘烤得干膜，再在550℃下退火8～10min，即得Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜；3）将Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜冷却，在冷却后Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜上旋涂前驱液B，然后于180～260℃烘烤得干膜，再在550℃下退火8～10min，即在Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜上制备出Sm掺杂的晶态BiFeO3薄膜；4）在Sm掺杂的晶态BiFeO3薄膜上交替制备Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜和Sm掺杂的晶态BiFeO3薄膜，得到逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜。...
【技术特征摘要】
1.一种制备逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤:1)将Bi (NO3)3.5H20、Fe(NO3)3.9H20 以及 Tb (NO3) 3.6H20 按(0.91-0.97):1:(0.08-0.14)的摩尔比溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液中搅拌均匀，得到前驱液A ;将Bi(NO3)3.5H20、Fe(N03)3.9H20 和 Sm(NO3)3.6H20 按(0.90-0.97):1: (0.08-0.15)的摩尔比溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液中搅拌均匀，得到前驱液B;其中，前驱液A和前驱液B中总的金属离子浓度均为0.1~0.5mol/L ； 2)将前驱液A旋涂在FTO/glass基片上，然后于180~260°C烘烤得干膜，再在550°C下退火8~IOmin,即得Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜； 3)将Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜冷却，在冷却后Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜上旋涂前驱液B，然后于180~260°C烘烤得干膜，再在550°C下退火8~lOmin，即在Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜上制备出Sm掺杂的晶态BiFeO3薄膜； 4)在Sm掺杂的晶态BiFeO3薄膜上交替制备Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜和Sm掺杂的晶态BiFeO3薄膜，得到逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜。2.根据权利要求1所述的制备逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜的方法，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：谈国强，董国华，罗洋洋，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：
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