[发明专利]一种B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO3 薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料领域，具体涉及一种B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO₃薄膜及其制备方法。

背景技术

BiFeO₃是少数在室温下同时具有铁电和铁磁性能的单相多铁材料之一，具有扭曲的钙钛矿结构，同时具有铁电性（居里温度为830℃）和反铁磁性（尼尔温度为370℃）。随着人们对电子器件的小型化要求越来越高，对于这种同时具有多种功能的单相材料的研究得到人们的重视。因此BiFeO₃成为可广泛应用于在新型存储器件、自旋电子器件、微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域的重要功能材料。

然而目前限制BiFeO₃薄膜应用的最大的问题就是低电阻率，无法在室温下测量其铁电性质。一方面，传统的慢速退火工艺制备BiFeO₃时，氧空位在高温退火下达到动态平衡，当退火过程结束，部分氧空位滞留其中，形成氧空位的聚集，引起氧剂量的偏移，这种偏移使得铁价态发生波动(Fe³⁺转化为Fe²⁺)。铁价态的波动导致大的漏导，从而使BiFeO₃漏电流较大，由于大的漏导使其铁电性无法正确测量而获得饱和极化。另一方面，BiFeO₃本身具有的低介电常数和低电阻率等性质致使很难观测到电滞回线。这些特点都大大地限制了其应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO₃薄膜及其制备方法，该方法设备要求简单，实验条件容易达到，制备的薄膜均匀性较好，掺杂量容易控制，制得的Mn和Cu共掺杂的BiFeO₃薄膜的具有良好的铁电性能。

为了达到上述目的，本发明制备B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO₃薄膜的方法，包括以下步骤：

1）将硝酸铋、硝酸铁、醋酸锰和硝酸铜按1.05:[(0.92～0.98)-x]:(0.02～0.08):x的摩尔比溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液中搅拌均匀，得到BiFeO₃前驱液；其中，BiFeO₃前驱液中总的金属离子浓度为0.1～0.5mol/L，x=0.01～0.03；

2）将BiFeO₃前驱液旋涂在FTO/glass基片上制备湿膜，将湿膜于180～260℃烘烤得干膜，然后在550℃快速退火10～15min，即得晶态BiFeO₃薄膜；

3）待晶态BiFeO₃薄膜冷却后重复步骤2）使晶态BiFeO₃薄膜达到所需厚度，即得B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO₃薄膜。

所述的步骤1）混合液中乙二醇甲醚和醋酸酐的体积比为(1:1)～(4:1)。

所述的步骤1）中硝酸铋、硝酸铁、醋酸锰和硝酸铜的摩尔比为1.05:（0.96-x）:0.04:x。

所述的步骤2）中将BiFeO₃前驱液旋涂在FTO/glass基片上前，BiFeO₃前驱液静置24～32h。

所述的步骤2）中湿膜的烘烤时间为5～10min。

一种采用所述方法制备的Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO₃薄膜的化学组分为BiFe_0.96-xMn_0.04Cu_xO₃，x=0.01～0.03；具有扭曲钙钛矿结构，为菱方结构，R3c和R3m空间群共存状态，剩余极化值Pr>120μC/cm²，矫顽场强在350kV/cm以下。

x=0.02，该B位Mn和Cu共掺杂高剩余极化强度的BiFeO₃的薄膜晶粒尺寸在120～200nm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：