Bi1-xTbxFe1-yTMyO3-CoFe2O4(TM=Cr,Mn,Co)薄膜的制備及多鐵性能研究.pdf

1、多鐵性復(fù)合材料由于具有鐵電、鐵磁或鐵彈響應(yīng)，同時(shí)其磁電耦合效應(yīng)也被大量的研究。單相多鐵材料 BiFeO3因其能在室溫下同時(shí)表現(xiàn)出鐵電性和反鐵磁性，雖然自發(fā)極化高達(dá)~100μC/cm2，但由于特殊的螺旋磁結(jié)構(gòu)使其只表現(xiàn)出較弱的反鐵磁性。為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，F(xiàn)e3O4、CoFe2O4、NiFe2O4和La0.65Sr0.35MnO3等磁性材料被引入到BiFeO3基復(fù)合材料體系中。類似的復(fù)合多鐵材料往往同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的多鐵性能和強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)。

2、BiFeO3基多鐵性復(fù)合材料所具有的多功能效應(yīng)可以為信息存儲(chǔ)、集成電路及傳感器等的設(shè)計(jì)提供更多的自由度。
　　本課題采用化學(xué)溶液沉積法制備 Bi0.89Tb0.11Fe1-xTMxO3/CoFe2O4(BTFTMO/CFO)復(fù)合薄膜，研究多元素共摻雜和添加CoFe2O4磁性層對(duì)晶體結(jié)構(gòu)、漏導(dǎo)電流、元素價(jià)態(tài)、介電、鐵電及鐵磁性能的影響，結(jié)果如下：
　　(1)研究了單獨(dú)摻雜稀土元素 Tb對(duì) BiFeO3薄膜物相結(jié)構(gòu)、漏導(dǎo)電流、介

3、電性能、鐵電性能及 Fe元素價(jià)態(tài)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn) Bi0.89Tb0.11FeO3薄膜處于兩相共存狀態(tài)，薄膜中Fe2+含量減少致使泄漏電流減小、介電性能突出，并獲得最優(yōu)異的鐵電性能剩余極化強(qiáng)度(Pr)為88.1μC/cm2和矯頑場強(qiáng)(Ec)為541.1 kV/cm。
　　(2)對(duì) Bi0.89Tb0.11Fe1-xTMxO3(BTFTMO)薄膜晶體結(jié)構(gòu)、缺陷化學(xué)、電性能及磁性能進(jìn)行系統(tǒng)表征，研究表明Tb和過渡族元素(Cr、Mn和C

4、o)共摻雜能誘導(dǎo)薄膜由菱方相向三斜扭曲的偽立方相轉(zhuǎn)變。致密度的提高、晶粒的細(xì)化和 Fe2+含量的減少都是漏導(dǎo)電流減小的重要因素。BTFCoO薄膜的 Pr和 Ec分別為127.8μC/cm2和468.1 kV/cm，明顯優(yōu)于 BTFCrO(Pr~61.3μC/cm2，Ec~718.2 kV/cm)，BTFCoO薄膜的磁性能也有提升，剩余磁化強(qiáng)度(Mr~0.8 emu/cm3)是BTFCrO和BTFMnO的兩倍。共摻體系中Co2+和Mn2+

5、對(duì)BiFeO3薄膜多鐵性能的改善最為明顯。
　　(3)研究了Mn-Co、Mn-Ni和Mn-Cu等B位共摻雜對(duì)BiFeO3薄膜結(jié)構(gòu)及性能的影響。研究表明過渡族元素共摻雜能促使薄膜向四方扭曲的偽立方相轉(zhuǎn)變。B位共摻雜體系中 Fe2+含量減少的同時(shí)出現(xiàn)少量 Mn3+，導(dǎo)致薄膜中氧空位等缺陷濃度會(huì)隨著摻雜而降低，泄漏電流的減小也證實(shí)這一結(jié)果。B位共摻雜BFO薄膜最大的特點(diǎn)就是鐵電性能優(yōu)異。Mn-Co共摻BFO獲得的最大剩余極化強(qiáng)度 Pr為

6、197.8μC/cm2，考慮到材料本身的在高電場下漏導(dǎo)，通過電流補(bǔ)償?shù)玫礁鼫?zhǔn)確的Pr值為146.2μC/cm2。
　　(4)研究了 BiFeO3/CoFe2O4復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)和多鐵性能結(jié)果發(fā)現(xiàn)CoFe2O4層的引入后BiFeO3相仍然保持著原有的結(jié)構(gòu)特征。由于BiFeO3層的擊穿場強(qiáng)小、漏導(dǎo)電流大，因此 BiFeO3/CoFe2O4薄膜在鐵電性能表征中只得到未飽和的環(huán)狀電滯回線。但磁性能表征顯示復(fù)合薄膜具有磁性參數(shù)：MS~76.4

7、 emu/cm3，Mr~40.3 emu/cm3，Hc~1350 Oe。BiFeO3/CoFe2O4復(fù)合薄膜的磁性能是單一BiFeO3(MS~0.7 emu/cm3)薄膜的100多倍。
　　(5)研究 Tb和過渡元素共摻雜的BTFTMO/CFO復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)、漏導(dǎo)電流、鐵電及鐵磁性能。結(jié)構(gòu)研究表明BTFTMO層仍然保持著原來的偽立方結(jié)構(gòu)。BTFTMO/CFO薄膜的漏電流密度相比 BFO/CFO薄膜降低了2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。鐵電性能結(jié)果

8、顯示BTFTMO/CFO薄膜鐵電性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于BFO/CFO薄膜，室溫下BTFCoO/CFO薄膜測得的Pr值高達(dá)142.5μC/cm2，同時(shí)鐵磁性能中 BTFCoO/CFO薄膜的剩余磁化強(qiáng)度 Mr也高達(dá)64.6 emu/cm3。在Tb-Mn-Co三元共摻雜的BTFMnCoO薄膜和BTFMnCoO/CFO復(fù)合薄膜的磁電性能對(duì)比研究中發(fā)現(xiàn)，BTFMnCoO/CFO薄膜具有更低的漏導(dǎo)電流，且其均能獲得優(yōu)異的鐵電性能，Pr分別為130.8μC/cm