铁酸铋系列铁材料的制备及电性能研究.pdf

华中科技大学博士学位论文

摘要
近年来,多铁材料引起了人们的极大兴趣。其中,BiFeO3(BFO)由于在室温下同
时具有铁电性和弱铁磁性,被认为在信息存储、集成电路、磁传感器以及自旋电子
器件等方面有诱人的应用前景。
本文采用优化的固相烧结工艺,制备出纯相的 BFO 陶瓷。在对 Bi2O3-Fe2O3 二
元体系的相图和热重-差热分析(TG-DTA)的基础上,以固相烧结作为核心的工艺流
程,确定了制备纯相、平整、光滑的 BFO 陶瓷大靶的优化工艺。另外,本文以制备
出的陶瓷为靶材,采用射频磁控溅射工艺在 Pt(111)/Ti/SiO2/Si(001)衬底上沉积 BFO
薄膜,研究了退火条件对薄膜结构的影响,在大量实验的基础上,找到最佳的磁控
溅射 BFO 薄膜的工艺流程。
本论文系统研究了 B 位 Ti 掺杂对 BFO 陶瓷和薄膜性能的影响。随着 Ti 掺量的
增加,BFO 陶瓷的晶体结构逐渐向斜方变化,晶粒尺寸越来越小,铁电-顺电相变温
度(Tc)逐渐降低。掺 Ti 后 BFO 材料的漏电流减小,剩余极化值增大。Ti 掺杂后,BFO
薄膜的微观形貌、漏电流、剩余极化和疲劳性都得到改善。Ti 掺杂量为 10%时薄膜
样品的电性能最好,在 200kV/cm 电场下,漏电流密度仅为 ×10−8 A / cm2 ;在
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500kV/cm 的电场下,剩余极化 2Pr 为 µc/cm ;经过 3×10 次极化反转后,剩余
极化值仍然在初始值的 90%以上。
本论文首次系统研究了 A 位 Dy 掺杂对 BFO 陶瓷和薄膜性能的影响。当 Dy 含
量为 20%时,BFO 陶瓷的晶体结构明显变化。随着 Dy 掺量增加,晶粒尺寸越来越
小,铁电-顺电相变温度(Tc)逐渐降低。Dy 掺量为 10%时陶瓷的漏电流最小,剩余极
化值最大。Dy 掺杂量为 10%时,薄膜样品的电性能最好,在 200kV/cm 电场下,漏
−8 2 2
电流密度仅为 ×10 A / cm ,;在 300kV/cm 的电场下,剩余极化 2Pr 为 µc/cm 。
结合前面的研究,本论文还对 BFO 陶瓷进行 A、B 位同时掺杂,研究了 A、B
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位共掺的 BFO 陶瓷的性能。结果显示,A、B 位共掺抑制了不纯相的生成,进一步
提高了 BFO 陶瓷的铁电性能。最佳的掺杂方式和掺量为 A 位 Dy 和 B 位 Ti 同时掺
杂,掺量均为 10%。另外,本论文还通过射频磁控溅射,将 A 位掺杂 BFO 薄膜和 B
位掺杂 BFO 薄膜组成双层膜,研究了该双层膜的电性能,并对结果进行了理论分析。
最后,本论文还提出了一个具有退极化场的铁电双层膜模型。给出了有退极化
场和无退极化场时极化的空间分布和电滞回线的图象,研究了退极化场和界面耦合
对二级相变铁电双层膜极化的影响。结果表明,铁电耦合时,退极化的作用使各层
的极化趋于更均匀,界面耦合对极化的空间分布和电滞回线的形状都有很大的影响;
反铁电耦合时,随着反铁电耦合的增强层内的极化增大,但退极化场导致层内极化
的降低。当退极化场相对于层间耦合较强时,反铁电耦合的双层膜的层内极化取向
一致。界面耦合和退极化场之间存在竞争关系。
总而言之,本论文研究的主要结果和创新如下:
1、获得了制备 BFO 陶瓷的固相烧结较佳工艺条件。采用快速升温、多次烘烤、
单独排胶和带压烧结等方法制备出了纯相、致密、平整的 BFO 陶瓷。得到了最佳掺
杂方式和掺杂量: A 位 Dy 与 B 位 Ti 共掺,掺量各为 10%。
2、采用射频溅射工艺制备了 BFO 系列铁电单层和双层薄膜,探索了 A 位 Dy
掺杂、B 位 Ti 掺杂薄膜的优化工艺,制备出结构均匀、铁电性较强及漏电流密度小
的 BFO 薄膜。
3、提出了具有退极化场的铁电双层膜模型,得到了退极化场的表达式。研究发
现退极化场和界面耦合对二级相变铁电双层膜自发极化的空间分布和电滞回线有重
要影响,铁电耦合时退极化场的作用使各层的极化趋于均匀,反铁电耦合时退极化
场导致层内极化降低。


关键词:多铁材料铁酸铋射频磁控溅射掺杂双层膜
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Abstract
Mutiferroics have been widely investigated recently. Among them, BiFeO3 (BFO)
shows coexistent ferroelectric order and ic order and considered t