一种B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3 薄膜及其制备方法技术

一种B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜及其制备方法，将硝酸铋、硝酸铁、醋酸锰和硝酸铜按1.05:[(0.92～0.98)-x]:(0.02～0.08):x的摩尔比为溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液，然后搅拌均匀，得到BiFeO3前驱液；其中，BiFeO3前驱液中总的金属离子浓度为0.1～0.5mol/L；x=0.01～0.03；将BiFeO3前驱液旋涂在FTO/glass基片上制备湿膜，将湿膜烘烤得干膜，然后在550℃退火，得到晶态BiFeO3薄膜；待晶态BiFeO3薄膜冷却后，再重复使晶态BiFeO3薄膜达到所需厚度，即得到B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的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，并且可通过共掺杂对其晶体结构进行调控从而大幅度提高薄膜的铁电性能。

【技术实现步骤摘要】
—种B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的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B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜及其制备方法。
技术介绍
BiFeO3是少数在室温下同时具有铁电和铁磁性能的单相多铁材料之一，具有扭曲的钙钛矿结构，同时具有铁电性(居里温度为830°C)和反铁磁性(尼尔温度为370°C)。随着人们对电子器件的小型化要求越来越高，对于这种同时具有多种功能的单相材料的研究得到人们的重视。因此BiFeO3成为可广泛应用于在新型存储器件、自旋电子器件、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。然而目前限制BiFeO3薄膜应用的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，81?603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。这些特点都大大地限制了其应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的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，制备的薄膜均匀性较好，掺杂量容易控制，制得的Mn和Cu共掺杂的BiFeO3薄膜的具有良好的铁电性能。为了达到上述目的，本专利技术制备B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜的方法，包括以下步骤:I)将硝酸铋、硝酸铁、醋酸锰和硝酸铜按1.05: [ (0.92~0.98) _x]: (0.02~0.08):x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BiFeO3前驱液；其中，BiFeO3前驱液中总的金属离子浓度为0.1~0.5mol/L, x=0.01~0.03 ;2)将BiFeO3前驱液旋涂在FTO/glass基片上制备湿膜，将湿膜于180~260°C烘烤得干膜，然后在550°C快速退火10~15min，即得晶态BiFeO3薄膜；3)待晶态BiFeO3薄膜冷却后重复步骤2)使晶态BiFeO3薄膜达到所需厚度，即得B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的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)中硝酸铋、硝酸铁、醋酸锰和硝酸铜的摩尔比为1.05:(0.96_x):0.04:x。所述的步骤2)中将BiFeO3前驱液旋涂在FTO/glass基片上前，BiFeO3前驱液静置24~32h。所述的步骤2)中湿膜的烘烤时间为5~lOmin。一种采用所述方法制备的Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜的化学组分为BiFea9f^Mnaci4CuxO3, x=0.01~0.03 ;具有扭曲钙钛矿结构，为菱方结构，R3c和R3m空间群共存状态，剩余极化值Pr>120ii C/cm2，矫顽场强在350kV/cm以下。x=0.02，该B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3的薄膜晶粒尺寸在120~200nm。 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Mn和Cu同时进行B位掺杂，B位掺杂可以有效地改善BiFeO3多铁性能。一方面选用Mn和Ni为正二价离子替代Fe三价离子，由于电荷补偿作用会使得Fe的价态波动被拟制，也是有利于氧空位的产生，另一方面对B位Fe3+离子的替代可以强烈地影响其晶粒内部的磁结构，进而影响其磁性及磁电效应。同时，B位过渡金属离子共掺杂，能促使结构畸变加剧，薄膜内电畴的翻转数量增加，从而提高BiFeO3薄膜的铁电性。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方法制备B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的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铁电性能。这种方法能够制备出具有优异铁电性能的BiFeO3薄膜，得到高的剩余极化值(Pr>120 u C/cm2)和小的矫顽场(~300kV/cm)及低的漏导电流。【附图说明】图1是本专利技术实施例2制备的B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜的XRD图；图2是本专利技术实施例2制备的B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜的SEM图；图3是本专利技术实施例2制备的B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜的电滞回线图；图4是本专利技术实施例2制备的B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜的漏电流图。【具体实施方式】实施例1:I)将 Bi (NO3) 3 ? 5H20、Fe (NO3) 3 ? 9H20、C4H6MnO4 ? 4H20 和 Cu (NO3) 2 ? 3H20 按1.05:0.95:0.04:0.01的摩尔比溶于由乙二醇甲醚和醋酸酐混合而成的混合液，然后搅拌2h使均匀，得到BiFeO3前驱液；其中，BiFeO3前驱液中总的金属离子浓度为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BiFeO3前驱液静置24h，然后在FTO/glass基片上旋涂BiFeO3前驱液制备湿膜，将湿膜于200°C烘烤IOmin得干膜，然后在550°C快速退火12min，得到晶态BiFeO3薄膜。3)待晶态BiFeO3薄膜冷却后，再重复步骤2)直到晶态BiFeO3薄膜达到所需厚度，即得到B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜。其中，所得的B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜的每一层都会晶化，后沉积的晶态BiFeO3薄膜就可以由前者提供的晶种层继续生长。本实施例得到的B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜的化学组分为BiFea95Mna04Cu0.0103。实施例2:I)将 Bi (NO3) 3 ? 5H20、Fe (NO3) 3 ? 9H20、C4H6MnO4 ? 4H20 和 Cu (NO3) 2 ? 3H20 按1.05:0.94:0.04:0.02的摩尔比溶于由乙二醇甲醚和醋酸酐混合而成的混合液中，然后搅拌2h使均匀，得到BiFeO3前驱液；其中，BiFeO3前驱液中总的金属离子浓度为0.3mol/L,混合液中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）将硝酸铋、硝酸铁、醋酸锰和硝酸铜按1.05:[(0.92～0.98)?x]:(0.02～0.08):x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BiFeO3前驱液；其中，BiFeO3前驱液中总的金属离子浓度为0.1～0.5mol/L，x=0.01～0.03；2）将BiFeO3前驱液旋涂在FTO/glass基片上制备湿膜，将湿膜于180～260℃烘烤得干膜，然后在550℃快速退火10～15min，即得晶态BiFeO3薄膜；3）待晶态BiFeO3薄膜冷却后重复步骤2）使晶态BiFeO3薄膜达到所需厚度，即得B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种制备B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)将硝酸铋、硝酸铁、醋酸锰和硝酸铜按1.05: [(0.92~0.98)-X]: (0.02~0.08):x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BiFeO3前驱液；其中，BiFeO3前驱液中总的金属离子浓度为0.1~0.5mol/L, x=0.01~0.03 ; 2)将BiFeO3前驱液旋涂在FTO/glass基片上制备湿膜，将湿膜于180~260°C烘烤得干膜，然后在550°C快速退火10~15min，即得晶态BiFeO3薄膜； 3)待晶态BiFeO3薄膜冷却后重复步骤2)使晶态BiFeO3薄膜达到所需厚度，即得B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜。2.根据权利要求1所述的制备B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜方法，其特征在于: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)。3.根据权利要求1所述的制备B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜方法，其特征在于:所述的步骤I)中硝酸...

【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：