铁酸铋薄膜柔性化微纳制造及铁电性能

研究了铁酸铋薄膜的柔性化可控制造方法及其电畴调控动态。利用脉冲激光沉积法制备了周期性畴结构的铁酸铋薄膜,结合可控剥离技术,完成了铁酸铋薄膜从刚性基底到柔性基底的制备过程。利用原子力显微镜和压电力显微镜技术对柔性化铁酸铋薄膜的微观形貌和铁电特性进行表征。结果表明,柔性化后的铁酸铋薄膜保持完整的表面形貌特征(粗糙度保持不变),电畴反转特性保持可调,且保持良好的铁电特性及电畴反转响应。该研究为铁酸铋薄膜的柔性化制备提供了一种新思路。

溶胶凝胶制备的铁酸铋基薄膜及其性能表征

随着微电子工业的迅速发展,多铁性材料成为了材料科学与工程领域的研究热点。在众多铁电材料中铁酸秘(BFO)的应用前景是很广泛的,铁酸秘不仅是个无含铅绿色环保的多铁性材料,而且铁酸秘的制备温度低,有大的剩余极化值。但是它的制备非常困难,且由于Fe3+波动带来了大量氧空位,因此纯相BFO薄膜样品的漏电流较大。这也是一直以来困扰研究者的一个现实性问题。在此,我们使用了溶胶凝胶法和快速退火法,分别制备了掺杂Ce2+和Zn2+的Bi0.9Ce0.1FeO3 (BCFO)和BiFe0.9Zn0.1O3 (BFZO)薄膜以及共掺杂得到Bi0.9Ce0.1Fe0.9Zn0.1O3 (BCFZO)薄膜。并使用XRD和SEM技术研究制备薄膜的微观形貌和晶体结构,最后采用铁电测试仪在室温下对样品的电滞回线进行表征。结果表示掺杂以后的铁酸铋基薄膜因为抑制了氧空位而且降低了漏电流,所以铁电性能得到提升。这项研究证明了掺杂以后的薄膜具有良好的铁电性,本研究提供了提高铁电性的可行性方法以及铁酸秘薄膜为基础的多功能型应用器件的可用性。

退火温度对铁酸铋薄膜光学性质的影响

分别在硅衬底和石英衬底上使用射频磁控溅射法制备铁酸铋(BiFeO_(3))薄膜,主要研究退火温度对BiFeO_(3)薄膜的形貌、成分及光学性质的影响。试验结果表明,不同温度退火处理后,BiFeO_(3)薄膜的晶粒尺寸明显变大,且成分发生了较大变化;通过测试BiFeO_(3)薄膜的透射谱和反射谱,发现退火温度为450℃时,其禁带宽度最窄。

BiFeO_3多铁薄膜掺杂改性研究进展

铁酸铋是目前发现的唯一的室温单相多铁性的材料,其禁带宽度较小,剩余极化强度较大,居里温度较高,在光电器件、自旋电子器件、铁电随机存储器、磁电存储单元等领域有着广阔的应用前景。但铁酸铋薄膜存在漏电流较大、磁电耦合性较弱等问题,制约了在实际中的应用。离子掺杂具有操作方便、易于实现薄膜的微结构及性能调控等优点,因而受到广泛关注。综述了国内外近年来关于铁酸铋薄膜电性能掺杂改性的相关工作,阐述了不同种类的掺杂,包括A位(三价镧系元素与二价碱金属元素)、B位(过渡金属元素等)以及AB位共掺杂,同时根据掺杂对铁酸铋薄膜的漏电流、铁电性以及介电性能的影响,对A位掺杂和B位掺杂中的元素进行了分类,系统总结了各类元素掺杂改性的效果及其机理。最后,提出了铁酸铋薄膜亟待解决的问题。

铁酸铋薄膜的溶胶-凝胶法制备及电性能研究进展

铁酸铋是唯一一种在室温下存在的单相多铁材料,因其具有较高的铁电居里温度、较大的剩余极化强度、较小的禁带宽度和多铁特性,受到国内外的广泛关注。溶胶-凝胶法是制备铁酸铋薄膜的一种常见方法。综述了近年来溶胶-凝胶法制备铁酸铋薄膜的研究进展,详细阐述了制备工艺参数(前驱液、退火温度、退火气氛、底电极)与掺杂对铁酸铋薄膜电性能的影响;分析了不同制备工艺导致薄膜电性能出现差异的原因;归纳、总结出了目前溶胶-凝胶法制备铁酸铋薄膜的较佳工艺条件;最后,指出了亟待解决的问题。

溶胶-凝胶法制备BiFeO_3铁电薄膜的结构和特性

采用 sol gel 方法在 Pt/Ti/SiO2/Si 衬底上制备出纯相铁酸铋薄膜。采用热分析方法研究了凝胶的化学变化和析晶过程。分析讨论了退火温度对薄膜的结构和形貌的影响。并用 XRD、SEM 等手段对样品在不同温度条件退火处理后的薄膜相和形貌进行了分析。在800℃时采用层层退火方式,有效抑制 Fe价态转化,从而降低了电子波动引发的氧空位数目,制备出纯铁相高电阻率的BiFeO3 铁电薄膜,并观测到饱和电滞回线,其 Ps 和 Pr 分别为 6.9μC/cm2 和 2.8μC/cm2。

溶胶-凝胶方法制备铁酸铋薄膜及膜厚的影响

以溶胶-凝胶方法制备不同厚度的铁酸铋(BiFeO3,BFO)薄膜,XRD分析表明,BFO薄膜呈钙钛矿相结构,且随着厚度的增加,薄膜的结晶性变好.而薄膜厚度为4层(200 nm)至8层(400 nm)之间,其微观结构可能发生由赝立方相向三方相的转变.同时,随着膜厚的增加,BFO薄膜的介电性能得到改善,绝缘性能得到提高,铁电性能也相应地好转.

无机盐-螯合-凝胶法制备的铁酸铋薄膜的工艺研究

采用无机盐-螯合-溶胶凝胶法成功制备了BiFeO3薄膜。研究了不同基片、热处理工艺对薄膜相结构的影响。通过DTA-TG与FTIR对溶胶前躯体进行表征,分析了BiFeO3溶胶与薄膜过程机理并确定了铁电相转变温度为856℃。通过XRD、SEM分析了薄膜的晶相及表面形貌。结果表明,薄膜呈随机取向,氮气环境中退火可提高薄膜结晶度。600℃退火下薄膜厚度平均是400nm左右。VSM表明随着退火温度的增加,BiFeO3薄膜的磁化率增大。

化学溶液沉积法制备自取向BiFeO_3多铁薄膜

通过化学溶液沉积法在氧化铟锡(ITO)/导电玻璃上生长了BiFeO3多晶薄膜.利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱分析仪(XPS)、磁性测量系统(MPMS)和铁电测试仪对样品的结构、形貌、元素价态、铁磁性和铁电性进行研究.结果表明,薄膜为自取向生长,具有良好的[101]生长取向和平整的表面.室温下,样品呈铁磁性,沿样品取向方向为易磁化轴方向.铁电测试结果表明,其饱和电极化强度达到51.3μC/cm2.

自组装功能膜诱导合成铁酸铋薄膜的研究

采用分子自组装技术在玻璃基片表面制备了十八烷基三氯硅烷自组装单层膜(OTS-SAMs),并在功能化的基板表面诱导生成铁酸铋(BiFeO3)薄膜,采用接触角测试仪、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)测试手段对OTS膜和BiFeO3薄膜进行了表征。实验结果表明,在SAMs功能化的玻璃基底上所制备的铁酸铋薄膜结晶良好,薄膜表面平整光滑,结构致密均一,而且形成BiFeO3多晶聚集体,多晶聚集体的大小在2μm左右。

液相自组装法制备铁酸铋薄膜的研究

采用液相自组装法成功制备出铁酸铋（BiFeO3）薄膜,并采用XRD、SEM和VSM等测试方法对BiFeO3薄膜进行了表征。研究了功能化的自组装单分子层（SAMs）表面对BiFeO3薄膜成核和生长的影响,以及沉积温度对铁酸铋薄膜的形成和微观形貌的影响。结果表明：功能化的SAMs表面上薄膜与基底结合牢固,结构致密均一;沉积温度在60-70℃之间,薄膜表面比较平整均一,当沉积温度高于70℃,薄膜表面出现多晶聚集体现象。

磁控溅射法制备铁酸铋基薄膜的研究进展

铁酸铋材料是唯一的室温单相多铁材料,在微电子学、光电子学等领域具有广泛的应用。磁控溅射法是制备铁酸铋薄膜的一种常见手段。本文综述了射频磁控溅射制备铁酸铋薄膜的研究进展,详细阐述了溅射工艺参数(靶材、缓冲层、溅射气压、氧气压力、沉积温度)对其微结构与电性能的影响,并提出了亟待解决的问题。

外延掺锰铁酸铋薄膜电容器的光电导和光伏效应

采用射频磁控溅射的方法在SrRuO 3/SrTiO 3(SRO/STO)衬底上制备了外延Mn掺杂的BiFeO 3(BFMO)薄膜,并以Pt/SRO为复合上电极构建了对称的SRO/BFMO/SRO薄膜电容器。X射线衍射揭示了BFMO薄膜具有良好的外延结构。极化-电场滞后回线、净极化强度的测试结果说明外延SRO/BFMO/SRO电容器具有较大的剩余极化强度。波长为404 nm、强度为5 mW/cm 2的紫光入射到SRO/BFMO/SRO电容器表面,电流密度相应增长。当测试电压为+8 V,无光和光照时的电流密度分别为0.14 A/cm 2和0.34 A/cm 2;当测试电压为-8 V,无光和光照时的电流密度分别为0.13 A/cm 2和0.33 A/cm 2。通过对电流密度的拟合发现:无光和光照时均为欧姆传导机制,光照并没有改变SRO/BFMO/SRO电容器的传导机制。SRO/BFMO/SRO电容器的光伏效应主要由薄膜内部极化决定。与纯BFO薄膜电容器相比,Mn掺杂增大了光伏输出的短路电流密度。

BiFeO_3/CoFe_2O_4薄膜的制备及多铁电性能研究

用溶胶-凝胶法在FTO衬底上制备了BiFeO_3/CoFe_2O_4复合薄膜,对复合薄膜的微观结构和电学性能进行了表征和测试.结果表明:复合薄膜中BiFeO_3层中的晶体结构发生畸变,由三方R3c:H空间群转变为三方R3m:R空间群结构;在BiFeO_3和CoFe_2O_4之间存在明显的界面,两者未发生固相反应;在室温下,BiFeO_3/CoFe_2O_4薄膜的饱和磁化值Ms为76.4emu/cm^3,剩余磁化值Mr为40.3emu/cm^3,矫顽场强Hc为1 350Oe,薄膜表现出宏观磁性.BiFeO_3/CoFe_2O_4复合薄膜的强磁性来源于磁性薄膜CoFe_2O_4.

外延铁酸铋薄膜铁电性和反转特性的研究

采用磁控溅射的方法在以SrRuO3(SRO)为底电极的(001)取向的SrTiO3基片上制备了外延BiFeO3(BFO)薄膜,并以氧化铟锡(ITO)和金属Pt为上电极构架了ITO/BFO/SRO和Pt/BFO/SRO两种薄膜电容器,研究上电极对外延BFO薄膜铁电性和反转特性的影响。结果表明,两种薄膜电容器均体现了良好的饱和电滞回线,当测试电场为333kV/cm时,ITO/BFO/SRO和Pt/BFO/SRO两种电容器的剩余极化强度分别为47.6μC/cm2和56μC/cm2,矫顽场分别为223kV/cm和200kV/cm。此外,两种薄膜电容器都具有良好的保持和抗疲劳特性。通过反转和非反转电流对时间的积分,可以计算出真实的极化强度。当反转电压幅值为17V时,ITO/BFO/SRO和Pt/BFO/SRO两种电容器电流的反转时间分别为0.48μs和0.32μs,真实极化强度的计算值约为41μC/cm2和47μC/cm2,此计算值和铁电净极化强度的测量值符合的很好。

Ho^(3+)掺杂铁酸铋的制备及光催化性

为提高铁酸铋磁性和光催化性能,通过低温热分解前驱体快速制备出可磁分离回收的Ho^(3+)掺杂铁酸铋复合物Bi_(0. 95)Ho_(0. 05)FeO_3纳米颗粒,并用X粉末衍射仪(XRD)、傅里叶红外变换光谱仪(FT-IR)、紫外可见漫反射光谱仪(DRS),磁强计(VSM)和Zeta电位仪等多种手段对物相和性质进行表征,同时以甲基橙(MO)为降解模型,考察溶液的酸碱性和常见无机阴离子共存下其光催化性能。结果显示,产物以R3c相铁酸铋为主,带隙为1. 90 eV,Ho^(3+)掺杂后使铁酸铋的磁性增强了4倍,催化性能提高30%。而该催化剂的催化性能受降解溶液本身酸碱性以及共存阴离子的氧化性与酸碱性的影响。另外,对该催化剂的回收也进行了研究。结果表明,所得催化剂可通过磁分离回收,从而反复利用。

铁酸铋薄膜退火工艺研究进展

铁酸铋(BFO)多铁性材料因具有丰富的物理性能,以及其在存储器、传感器、电容器、光伏器件等方面的广阔应用前景,在过去几十年一直受到广泛的关注。然而,由于Bi元素在高温下容易挥发,所以很难合成纯相的BFO薄膜。此外,因存在氧空位或由于Fe离子变价导致的非化学计量比等缺陷,使其漏电流密度较大,严重影响BFO薄膜的铁电性能及实际应用。退火工艺是影响材料微结构及宏观性能的重要因素,因此通过退火工艺来调控BFO薄膜的结构及性能是一种十分有效的手段。然而,退火工艺包括退火时间、退火气氛、退火温度以及退火方式等多种形式,究竟每一种退火形式如何影响BFO薄膜的结构及性能是值得探讨的问题。为此,综述了退火工艺(括退火时间、退火气氛、退火温度以及退火方式)对BFO薄膜的结构(晶粒尺寸、形状,电畴尺寸、类型,表面形貌)和性能(磁性、铁电性、介电性、漏电性、导电机制)的影响的研究进展,并提出了一些亟待解决的问题。

应变对铁酸铋薄膜结构畸变特性的影响

应变工程作为调控铁电薄膜结构及性能的重要手段一直以来是研究热点。本文通过采用不同的单晶衬底对BiFeO3薄膜施加不同大小的拉压应变,利用像差校正透射电子显微术系统地研究了应变对BiFeO3薄膜晶格常数、离子位移以及氧八面体旋转的影响。原子尺度高角环形暗场像(HAADF)以及环形明场像(ABF)实验表明,从拉应变过渡到压应变条件下BiFeO3薄膜中面外晶格经历了逐渐拉长的过程。与此同时,伴随着MB—MA—MC等多种单斜相转变,薄膜中Fe3+的相对位移也由拉应变下的面内离子位移大于面外离子位移逐渐转变到在压应变条件下面外离子位移明显大于面内离子位移。除此之外,随着压应变的增加,氧八面体转角逐渐减小,当BiFeO3薄膜转变为MC相时,FeO6的八面体结构会转变为FeO5金字塔结构。该结果为利用应变对薄膜结构和性能进行微观调控提供了重要借鉴。

晶粒尺寸对铁酸铋薄膜性能调控研究进展

铁酸铋是目前唯一在室温下同时具有铁电性和反铁磁性的单相多铁性材料,因其具有丰富的物理性质以及广阔的应用前景备受关注。虽然理论上其具有较大的剩余极化强度、相对较小的带隙宽度以及较大的光吸收系数,然而,因受到尺寸效应等因素的影响,难以制备出性能良好的铁酸铋材料。因此,欲提高铁酸铋材料的性能并使之获得实际应用,研究晶粒尺寸对BFO薄膜性能的影响极其重要。晶粒尺寸对BFO薄膜性能(如铁电性、介电性、漏电性、光学性能和磁性能等)的影响规律目前还未有统一的定论。鉴于此,本文将近几年来国内外关于晶粒尺寸对铁酸铋薄膜性能调控方面的研究进行了归纳总结,并且提出了现阶段研究存在的主要问题。

浓度梯度掺杂实现BiFeO_(3)薄膜自极化

BiFeO_(3)是一种非常有前途的无铅铁电材料,与大多数传统铁电材料相比,它具有更大的极化和更高的居里温度,为高温应用提供了可能。受到衬底强烈的夹持效应、较大的矫顽场和漏电流的影响,BiFeO_(3)薄膜难以被极化。自极化是解决这一问题的可行方法。本研究采用溶胶-凝胶法在Pt(111)/Ti/SiO_(2)/Si衬底上生长了BiFeO_(3)薄膜,向上梯度薄膜(从衬底BiFeO_(3)过渡到薄膜表面Bi_(0.80)Ca_(0.20)FeO_(2.90))以及向下梯度薄膜(从衬底Bi_(0.80)Ca_(0.20)FeO_(2.90)过渡到薄膜表面BiFeO_(3))。通过细致地调控薄膜内部缺陷的定向分布形成内置电场,从而导致薄膜具有自极化特性。压电力显微镜结果表明:在BiFeO_(3)薄膜中,Ca的梯度方向可以调控自极化的方向。此外,类似二极管的单向导通特性验证了薄膜的自极化是由Ca的浓度梯度掺杂导致。X射线光电子能谱结果表明,氧空位的梯度分布导致的内置电场可能是造成自极化现象的原因。本研究为实现铁电薄膜的自极化提供了一种新的策略,并在以自极化的内置电场为驱动,提高光伏或光敏器件性能方面具有潜在的应用前景。