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多铁材料BiFeO3由于其在室温下具有铁磁性,铁电性以及铁弹性共存的特性,使得它近年来受到了广泛的关注。BiFeO3不仅在铁电器件和磁性器件方面具有重要的应用前景,而且它也可在磁电耦合方面应用,因此它为器件模块设计及应用提供了广阔的自由度,具有广阔的应用前景。液相自组装技术是在传统的液相沉积法基础上,通过结合仿生合成理论所形成的新的制膜方法。近年来,由于其有原位自发形成、成键高度有序排列,缺陷少、结合力强、呈“结晶态”等特点,而被广泛应用于功能陶瓷薄膜的制备中。
本课题采用液相自组装技术,以OTS自组装单分子层(OTS-SAMs)为模板,Bi(NO3)3·5H2O,Fe(NO3)3·9H2O为原料,柠檬酸为螯合剂,在ITO玻璃基片上制备了纯相和La掺杂BiFeO3晶态薄膜,并研究了制备工艺和镧掺杂对BiFeO3薄膜制备、电容和损耗的影响,以及BiFeO3薄膜的生长机理。
本论文得到的主要结果如下:
1.该工艺制备BiFeO3薄膜合适的pH值范围为1.50~1.65。薄膜的电容随频率的增大而减小。在薄膜的损耗-频率曲线中观察到共振峰的存在。随着pH的增加,薄膜的致密性变差,电容减小,损耗增加。
2.随着沉积温度的升高,BiFeO3的衍射峰强度逐渐增强,表面吸附的大颗粒增多,导致BiFeO3薄膜的电容逐渐减小,损耗逐渐增加,该工艺制备BiFeO3薄膜沉积温度以75℃为宜。
3.由于柠檬酸对Fe3+的掩蔽作用,使得Bi3+络合物比Fe3+络合物沉积速率大,导致薄膜出现Bi2O3和Bi2O2.33相,对薄膜的电性能产生不利影响,导致薄膜电容减小,损耗增加。合适的Fe3+/Bi3+摩尔比为2.6。
4.550℃退火2h的条件下得到了纯相BiFeO3薄膜,薄膜平整致密,晶粒发育完整。随着退火温度的增加,保温时间的延长,BiFeO3薄膜的电容逐渐增加,损耗逐渐减小。退火温度过高,会导致Bi25FeO40杂相生成,晶粒异常长大;保温时间过长,会导致BiFeO3高温分解;两种情况都会导致BiFeO3薄膜的电容减小,损耗增大。
5.液相自组装法制备纯相BiFeO3薄膜可以在不同pH值的前驱液中制备出纯相BiFeO3薄膜。Bi3+和Fe3+的络合物以不同的速率被-OH诱导吸附到ITO玻璃基片上,形成牢固的化学键结合,退火处理后形成晶态BiFeO3薄膜。
6.La的最佳掺入量为5%。随着La掺杂量的增加,衍射峰向小角度衍射角方向出现了明显的偏移,BiFeO3薄膜的电容逐渐增加,损耗逐渐降低。
7.柠檬酸浓度以0.02mol/L为宜,偏大或偏小都会导致杂相生成。柠檬酸浓度过低,生长的薄膜较薄且缺陷较多;随着柠檬酸浓度的增加,缺陷减少,薄膜致密,电容增加,损耗减小。
8.前驱液浓度过低,薄膜为一些不连续的小块;随着前驱液浓度的增加,BiFeO3薄膜结晶性提高,缺陷减少,致密性提高,电容增加,损耗减小;浓度过大,前驱物容易团聚,表面吸附有大量团聚大颗粒,导致薄膜电容下降,损耗增加。