一种Tb、Cr 和Mn 三元共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3 薄膜及其制备方法技术

一种Tb、Cr和Mn三元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、硝酸铽、硝酸铬和醋酸锰按(0.91-0.97):(0.98-x):(0.08-0.14):0.02:x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=0.01～0.04；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8～13min，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，得到Tb、Cr和Mn三元共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜。本发明专利技术设备要求简单，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，并且能大幅度提高薄膜的铁电性能。

【技术实现步骤摘要】
—种Tb、Cr和Mn三元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Tb、Cr和Mn三元共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3铁电薄膜及其制备方法。
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。BiFeO3薄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。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Tb、Cr和Mn三元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。为了达到上述目的，本专利技术Tb、Cr和Mn三元共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜的制备方法，包括以下步骤:I)将硝酸铋、硝酸铁、硝酸铽、硝酸铬和醋酸锰按(0.91-0.97): (0.98-χ): (0.08-0.14):0.02:x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=0.01~0.04 ；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8~13min，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达到所需厚度，即得到Tb、Mn和Cu三元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体积比为(1:1)~(4:1)。所述的步骤I)中硝酸铋、硝酸铁、硝酸铽、硝酸铬和醋酸锰的摩尔比为0.94:(0.98-χ):0.11:0.02:χ。所述的步骤2)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6~12min。一种采用所述的制备方法制备的Tb、Cr和Mn三元共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜的化学组分为Bia89TbailFeciIxCratl2MnxO3, x=0.01~0.04 ;具有扭曲钙钛矿结构，为三斜相结构，属于Pl空间群，剩余极化强度大于100 μ C/cm2。x=0.02，该Tb、Cr和Mn三元共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜晶粒尺寸在80~120nm，介电常数在IOOkHz的测试频率下为390。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位的掺杂能够诱导BiFeO3薄膜发生相变,从而改善电性能。另外,本专利技术还选择Cr和Mn同时进行B位掺杂，B位掺杂同样可以有效地改善BiFeO3多铁性能，同时对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。随着三元共掺杂，薄膜的结构从六方相转变为三斜相结构属于Pl空间群。所以，本专利技术采用的是A位稀土离子和B位磁性过渡金属离子共掺杂的方法(即所谓“复合替代”)制备Tb、Cr和Mn三元共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜。这种方法能够兼顾两种替代元素的优点，而部分地克服单种元素取代所带来的缺点，使得Tb、Cr和Mn三元共掺杂BiFeO3的磁、电性能得以更加明显的改善。BiFeO3作为一种具有广泛应用前景的多铁材料，通过对其A、B位共掺杂，能够大幅度提高BiFeO3薄膜的铁电和铁磁性能，这就使得它离实际应用更近了一步。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Tb、Cr和Mn三元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剩余极化强度大于100 μ C/cm2的BiFeO3薄膜。进一步，x=0.02时,该Tb、Cr和Mn三元共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜介电常数在IOOkHz的测试频率下高达390。【附图说明】图1是本专利技术实施例2制备的Tb、Cr和Mn三元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Tb、Cr和Mn三元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Tb、Cr和Mn三元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Tb、Cr和Mn三元共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3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) 3.9H20、Tb (NO3) 3.6H20、Cr (NO3) 3.9H20 和C4H6MnO4.4H20按0.94:0.97:0.11:0.02:0.0I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12min得干膜，然后在550°C快速退火8min，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薄膜达到所需厚度的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Tb、Cr和Mn三元共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）将硝酸铋、硝酸铁、硝酸铽、硝酸铬和醋酸锰按(0.91?0.97):(0.98?x):(0.08?0.14):0.02:x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=0.01～0.04；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8～13min，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达到所需厚度，即得到Tb、Mn和Cu三元共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种Tb、Cr和Mn三元共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: O将硝酸铋、硝酸铁、硝酸铽、硝酸铬和醋酸锰按(0.91-0.97): (0.98-x): (0.08-0.14):0.02:x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=0.01~0.04 ； 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8~13min，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达到所需厚度，即得到Tb、Mn和Cu三元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Tb、Cr和Mn三元共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜的制备方法，其特征在于:所述的步骤I)混合液中乙二醇甲醚和醋酸酐体积比为(1:1)~(4:1)。3.根据权利要求1所述的Tb、Cr和Mn三元共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3薄膜的制备方法，其特征在于:所述的步骤I)中硝酸铋、硝...

【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：