铁酸铋柔性铁电薄膜的制备及其性能研究

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铁酸铋(BiFeO3)在室温下具有铁电性和反铁磁性,同时还具备半导体特性及光催化性能,因此在多态存储器、压电传感器及光电效应领域具有广阔应用前景。本课题选用多铁材料锰酸钬(HoMnO3)对BiFeO3进行掺杂改性,利用脉冲激光沉积法在柔性云母片上制备高质量的BiFeO3-HoMnO3柔性薄膜,研究柔性薄膜相结构、电学性能及温度稳定性和弯曲服役特性。采用固相烧结法制备掺杂5 mol%、10 mol%、15 mol%HoMnO3的BiFeO3(HMO-BFO)陶瓷靶材,在透明柔性云母衬底上制备得到HMO-BFO柔性薄膜。随着HoMnO3掺杂量的增加,柔性薄膜的电阻率降低,同时柔性薄膜的磁性和透光率先增大后减小;掺杂10 mol%HoMnO3的柔性薄膜具有较大的磁化强度及较小的光学禁带宽度。缓冲层SrRuO3使柔性薄膜具有较少的缺陷、平整的表面及较高的剩余极化强度(39μC/cm2,同时缓冲层SrRuO3的加入使薄膜的损耗由5下降至0.2,大大提高柔性薄膜的性能。生长温度对薄膜的性能影响较大,分别在630oC、650 oC及670 oC温度下制备薄膜发现,650 oC生长的HMO-BFO柔性薄膜结晶良好,平均粗糙度仅为6.7 nm,剩余极化Pr达到61μC/cm2,因此HMO-BFO柔性薄膜生长温度为650 oC。采用脉冲激光沉积法在柔性云母衬底上制备掺杂10 mol%HoMnO3的BiFeO3(0.9BFO-0.1HMO)柔性薄膜,沉积温度为650 oC,激光能量为100 mJ,制备的柔性薄膜结晶性良好、表面平滑。为了研究薄膜的温度稳定性,通过测试电阻率随温度变化特性发现,柔性薄膜的激活能为0.42 eV。随着温度增加,柔性薄膜发生退极化现象,薄膜铁电畴反转程度逐渐减弱。0.9BFO-0.1HMO柔性薄膜铁电温度稳定性较好,在80oC范围内,薄膜的铁电性变化不大。随着测试温度的降低,柔性薄膜的饱和磁化强度Ms增大。将柔性薄膜粘贴在4.4 nm弯曲直径圆柱上时发现,0.9BFO-0.1HMO柔性薄膜的漏电流、铁电性及介电性均变化不大。而对薄膜进行10000次弯曲试验后发现,柔性薄膜的剩余极化强度Pr和饱和极化强度Ps均降低,分别下降27.9%及29.5%,同时柔性薄膜的矫顽场也由173 kV/cm增加至234 kV/cm,弯曲10000次后的0.9BFO-0.1HMO柔性薄膜的铁电性呈现衰弱现象。
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