鑭系元素?fù)诫s對BiFeO3薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響.pdf

1、BiFeO3是少數(shù)在室溫下能同時(shí)觀察到鐵電性(居里溫度Tc～850℃)和鐵磁性(尼爾溫度TN～370℃)的單相多鐵性材料之一，其理論剩余極化值最大約為100μC/cm2，同時(shí)在BiFeO3薄膜材料中曾經(jīng)觀察到較大的壓電響應(yīng)，這使其在數(shù)據(jù)存儲及微機(jī)電系統(tǒng)中具有非常廣泛的應(yīng)用前景。然而，采用化學(xué)溶液法制備的BiFeO3薄膜存在嚴(yán)重的漏電問題，造成了其本征的電學(xué)性能很難被測試到。大量實(shí)驗(yàn)研究證明，鑭系元素?fù)诫s能夠很好的解決BiFeO3薄膜的漏

2、電問題并在一定程度上降低其矯頑場。近年來，F(xiàn)ujino等人在Bi0.86Sm0.14FeO3薄膜中發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)同型相界并觀察到較大的壓電響應(yīng)(～95pm/V)，人們逐漸將目光轉(zhuǎn)移到對鑭系元素?fù)诫s導(dǎo)致BiFe03薄膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的研究上來。由于離子半徑的差異，不同鑭系元素對BiFeO3薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響也不同，本文中采用金屬有機(jī)分解法結(jié)合層層退火工藝，研究了不同Nd摻量對BiFeO3薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響，主要研究內(nèi)容如下:
　　 為了便于

3、觀察到準(zhǔn)同型相界，首先在LaNiO3(100)/Si襯底上制備了較高鑭系元素?fù)搅康腂i1-xNdxFeO3(x=0.10～0.16)薄膜，研究了Nd摻雜量對BFO薄膜結(jié)構(gòu)和壓電性能的影響。結(jié)果表明，Bi1-xNdxFeO3薄膜均有很強(qiáng)的(100)和(200)衍射峰，薄膜的剩余壓電系數(shù)隨著摻量的增加先增大后減小，并在x=0.14時(shí)取得最大值約148pm/V，另外，Bi1-xNdxFeO3薄膜的壓電響應(yīng)均勻性Nd摻量為14％附近突然變差，由

4、此可見，雖然在較高的鑭系元素?fù)搅肯履軌蛴^察到較大的壓電響應(yīng)，但是壓電響應(yīng)的均勻性較差，這將阻礙BiFeO3薄膜在未來壓電器件中的應(yīng)用。另外在陳等人報(bào)道的Tb摻雜的BiFeO3薄膜中觀察到隨著Tb摻雜量的增加BiFeO3薄膜的剩余極化單調(diào)遞減。這表明在較高的鑭系元素?fù)搅肯峦瑫r(shí)獲得良好的鐵電和壓電性能是十分困難的。
　　 在LaNiO3(100)/Si襯底上制備了較低的鑭系元素?fù)诫s量的Bi1-xNdxFeO3(x=0.01～0.04

5、5)薄膜，分別對其結(jié)構(gòu)、鐵電和壓電性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜的漏電流最低，剩余極化值最大約60.2μC/cm2。隨著Nd摻雜量的增加Bi1-xNdxFeO3薄膜的壓電響應(yīng)先增大后減小，并在x=0.03處，薄膜剩余壓電系數(shù)最大約160pm/V，這比陳等人在Bi0.89Tb0.11FeO3薄膜中觀察到的剩余壓電系數(shù)大14％。更重要的是，Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜具有最佳的壓電響應(yīng)均勻性。Bi0.

6、97Nd0.03FeO3薄膜微觀保持性結(jié)果顯示，極化的Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜放置20小時(shí)后的剩余壓電系數(shù)相對于剛極化的薄膜而言增加了6.8％，這造成壓電響應(yīng)均勻性略微下降，說明該薄膜具有穩(wěn)定的壓電響應(yīng)。
　　 為了進(jìn)一步確定Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜的結(jié)構(gòu)，我們在LaAlO3(001)襯底上制備了外延Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜，并采用同步輻射X射線衍射對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，該薄膜中呈現(xiàn)少見

7、的多疇結(jié)構(gòu)，其晶體結(jié)構(gòu)為單斜(Ma)相，說明存在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。
　　 基于Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜中大的穩(wěn)定的壓電響應(yīng)，我們研究了Bi過量及預(yù)處理溫度對Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜結(jié)構(gòu)的影響。在ITO/glass襯底上制備了Bi過量為O，10％，20％,30％及預(yù)處理溫度為375℃,400℃,425℃,450℃的Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜，結(jié)果顯示，(110)-和(012)-取向的晶粒存在競爭性生長模式

8、，在同一預(yù)處理溫度下，Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜的結(jié)晶取向隨著鉍過量的增加逐漸由(110)方向轉(zhuǎn)移到(012)方向，當(dāng)鉍過量高于20％時(shí)，所有薄膜的X射線衍射峰中出現(xiàn)Bi2O3相，在沒有鉍過量的條件下，Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜中(110)的峰強(qiáng)隨著預(yù)處理溫度的升高而增加，而(012)的峰強(qiáng)剛好相反。當(dāng)預(yù)處理溫度為400℃鉍過量為10％時(shí)，Bi0.97Nd0.03FeO3薄膜的晶化程度最好。
　　 綜上所述，