论文部分内容阅读
Bi Fe O3(BFO)是极少数在室温下同时具有铁电和铁磁性的多铁材料之一,其铁电居里温度和反铁磁奈尔温度分别为TC=1103 K和TN=647 K。由于其在非易失性随机存储器,传感器和磁电耦合设备等领域的潜在应用价值,因此在最近几年受到人们的极大关注。但是其弱铁磁性的本质和因大漏导而引起的小铁电性一直阻碍着其实际的应用。本课题采用溶胶-凝胶法在FTO玻璃基板上制备了Bi Fe1-xMnxO3(BFMxO),Bi Fe0.96Mn0.04CrxO3(BFMCxO),Bi1-xSmxFe0.96Mn0.04Cr0.02O3(BSxF-MCO),Bi0.89-xSrxSm0.11Fe0.96Mn0.04Cr0.02O3(BSrxSFMCO)和Bi1-xRExFe1-yTMyO3/Ni Fe2O4(RE=Sm,Sr;TM=Cr,Mn)复合薄膜,并研究了其结构,漏电机制、介电、铁电和铁磁性能。主要结论如下:(1)Mn2+掺杂Bi Fe1-xMnxO3薄膜中,Mn2+掺杂可以诱导BFO薄膜发生一定的结构相变,从纯相BFO薄膜试样的三方相转变为BFMx=0.04O薄膜试样中三方和四方相共存。此外,Mn2+掺杂可以有效地降低BFMxO薄膜试样的漏电流密度,由纯相BFO的10-3 A/cm2降低到BFMxO的10-5~10-6 A/cm2。在BFMx=0.04O薄膜试样中获得较大的铁电剩余极化强度值Pr=76.20μC/cm2和铁磁饱和磁化强度值Ms=4.45 emu/cm3,且Mn离子在BFMx=0.04O薄膜试样中以Mn4+/2+的混合价态存在,降低了薄膜中Fe2+离子的浓度。(2)Bi Fe0.96Mn0.04CrxO3薄膜中,Cr掺杂可以进一步诱导BFMCxO薄膜试样的晶格结构产生畸变,从而引起相变,还有阻碍晶粒生长发育的趋势。Cr离子掺杂可以进一步改善BFMCxO薄膜试样的铁电性,在727 k V/cm的外加电场作用下,BFMCx=0.02O薄膜试样获得最大的剩余极化强度Pr=102.65μC/cm2。但Cr离子却会一定程度降低BFMCx=0.02O薄膜试样的铁磁性,其饱和磁化强度值为1.05 emu/cm3,这是因为Cr离子掺杂可能会破坏薄膜中原有的Mn团簇结构,同时会阻碍电子和空穴强的局域化与Mn离子之间的短程相互接触作用,使得薄膜试样出现磁性减弱的现象。同时,BFMCx=0.02O薄膜试样中Mn离子以Mn2+/3+的混合价态存在,Cr离子以Cr3+/6+的混合价态存在,且Cr离子可以进一步降低薄膜中Fe2+离子的浓度。(3)Bi1-xSmxFe0.96Mn0.04Cr0.02O3薄膜试样中,相比于BFMCO薄膜试样,Sm掺杂可以进一步降低BSxFMCO薄膜的泄漏电流密度,并能提高其抗直流击穿场强强度到363 k V/cm。在BSx=0.11FMCO薄膜试样同时获得了优于BFMCO薄膜试样的铁电和铁磁性,其铁电剩余极化强度值为Pr=89.42μC/cm2,铁磁饱和磁化强度值为1.22 emu/cm3。此外,BSx=0.11FMCO薄膜试样中Mn离子以Mn4+/2+的混合价态存在,Cr离子以Cr3+/6+的混合价态存在,其Fe2+离子的浓度小于纯相BFO薄膜试样,高外加电场下的漏导机制为表面限制的F–N传导机制。(4)Sr2+掺杂不仅诱导了薄膜的结构发生转变,而且促进了晶粒发育,同时降低BSrxSFMC薄膜的漏电流密度(其漏电流密度为10-6 A/cm),改善其抗击穿场强(其抗直流击穿场强为630 k V/cm)。x=0.04的薄膜样品测得最佳的介电、铁电和铁磁性。1 k Hz测试频率下的介电常数εr=290,外加电场强度为727 k V/cm、测试频率1 k Hz时的剩余极化强度2Pr=173.43μC/cm2,饱和磁化强度Ms=2.3 emu/cm3。(5)Bi Fe O3薄膜中,多元素比单元素掺杂更易诱导薄膜中相结构发生变化,随着掺杂离子种类的增多,薄膜试样中的四方相结构逐渐增多,且所有薄膜试样都有沿(110)晶面的择优趋向。进行Fe-位Mn和(Mn,Cr)掺杂有利于薄膜试样晶粒的发育,对应薄膜试样的晶粒尺寸较大,而Bi-位Sm和(Sm,Sr)离子掺杂能诱导薄膜晶粒细化,其对应薄膜试样的晶粒尺寸小于Fe-位掺杂薄膜试样的晶粒尺寸。BSrx=0.04SFMCO薄膜试样获得最优的铁电性和铁磁性。(6)多种类元素离子掺杂和强磁性尖晶石Ni Fe2O4薄膜层复合而得到的Bi1-xRExFe1-yTMyO3/Ni Fe2O4复合薄膜可以同时改善薄膜铁电性和磁性。在BSr SFMCO/NFO薄膜试样中观测到了最优的铁电和铁磁特性,其铁电剩余极化强度Pr=88.82μC/cm2,铁磁饱和磁化强度Ms=35.18 emu/cm3。