沉积温度对磁控溅射BiFeO3薄膜结构和性能的影响

应用磁控溅射法在以SrRuO3(SRO)薄膜为缓冲层的Pt/TiO2/SiO2/Si(001)基片上制备了多晶BiFeO3(BFO)薄膜,构架了SRO/BFO/SRO异质结电容器。采用X射线衍射、铁电测试仪等研究沉积温度对BFO薄膜结构和性能的影响。X射线衍射图谱显示BFO薄膜为多晶结构。在2.5 kHz测试频率下,500℃生长的BFO薄膜呈现比较饱和的电滞回线,2Pr为145μC/cm2,矫顽场Ec为158 kV/cm,漏电流密度约为2.4×10-4A/cm2。漏电机制研究表明,在低电场区,SRO/BFO/SRO电容器满足欧姆导电机制,在高电场区,满足普尔-弗兰克导电机理。实验发现:SRO/BFO/SRO电容器经过109翻转后仍具有良好的抗疲劳特性。

BiFeO_3薄膜研究进展

BiFeO3是少数的在室温下同时具有铁磁性和铁电性的铁磁电材料之一,在信息存储、传感器和自旋电子器件等方面都有潜在的应用前景。本文通过对BiFeO3薄膜的结构、磁性起源、制备工艺和应用领域等方面的综述,提出并设计了水热法和仿生法这两种新的制备BiFeO3薄膜的湿化学方法,并展望了BiFeO3薄膜今后的研究和发展趋势。

退火温度对Sol-gel法制备的BiFeO3薄膜结构及电性能的影响

采用溶胶-凝胶法在ITO/glass衬底上制备了BiFeO3薄膜,退火温度分别为500℃和550℃。实验结果表明,550℃退火的薄膜晶粒较大且不均匀,并有杂相产生,薄膜的漏电流较大,没有得到饱和的电滞回线;而在500℃退火的薄膜晶粒较小且均匀,没有杂相产生,相对于550℃退火的薄膜,其漏电流密度降低了约2个数量级,铁电性得到明显增强,剩余极化强度约为40μC/cm2,矫顽场约为75kV/cm,最大的测试电场为130kV/cm。

多孔BiFeO_3薄膜的光伏效应研究

采用溶胶-凝胶法,在不同退火温度下在FTO/玻璃衬底上制备了多孔BiFeO3薄膜并对薄膜的光伏特性进行了研究。结果表明,在450-600℃退火的薄膜,均呈高度（100）择优取向;所有薄膜均为多孔薄膜,450℃、500℃、550℃和600℃退火的薄膜的孔径大小分别为2μm,2μm,6μm和1μm。孔隙的出现与加入乙醇胺的量直接相关,同时能够增强对光的吸收。450℃、500℃、550℃和600℃退火的薄膜的光学带隙分别为2.31 eV,2.50 eV,2.51 eV,和2.62 eV,所有光学带隙显著低于通常报道的结果。450℃与500℃退火的BiFeO3薄膜具有较强的光电导效应,而600℃退火的BiFeO3薄膜具有较强的体光伏效应。BiFeO3薄膜中的体光伏效应来自铁电极化产生的内建电场。

退火工艺对液相自组装法制备BiFeO_3薄膜的影响

以Bi(NO3)3.5H2O,Fe(NO3)3.9H2O和柠檬酸为主要原料,采用液相自组装法,以OTS单分子层为模板,在ITO玻璃基片上成功制备了BiFeO3晶态薄膜。研究了退火温度以及保温时间对BiFeO3薄膜的影响。利用DSC/TG对铁酸铋前驱物结晶行为进行了表征,利用XRD和FE-SEM等测试手段对不同退火工艺下制备的BiFeO3薄膜进行了物相和表面形貌的表征。结果表明,BiFeO3晶态薄膜的结晶转变温度在440℃左右;实际上在550℃退火2h的条件下得到了纯相BiFeO3薄膜,薄膜表面致密,晶粒发育完整,尺寸均匀,无明显缺陷;退火温度过高,会导致杂相生成,晶粒异常长大;保温时间过长,会导致BiFeO3高温分解。

底电极对BiFeO3薄膜电性质的影响

用溶胶-凝胶方法在LaNiO3,ITO和Pt底电极上制备了BiFeO3(BFO)薄膜。薄膜的退火温度为550℃。对不同底电极上的BFO薄膜的结构、形貌、铁电性、介电性和漏电流特性进行了研究。XRD研究表明不同底电极上的BFO薄膜呈不同的取向。所有的薄膜都没有观察到不纯相。剖面扫描电镜研究表明薄膜的厚度为350 nm。铁电性测试表明在128 kV/cm的测试电场下LaNiO3底电极上的薄膜的剩余极化强度最大,为3.31μC/cm2。而ITO和Pt底电极上的BFO薄膜的剩余极化强度分别为2.07μC/cm2与2.76μC/cm2。此外,漏电流的研究表明在ITO底电极上的BFO薄膜的漏电流最小。

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.

pH值对液相自组装法制备纯相BiFeO_3薄膜的影响

采用液相自组装法,Bi(NO3)3.5H2O,Fe(NO3)3.9H2O为原料,柠檬酸为螯合剂,以OTS单分子层为模板,在ITO玻璃基片上成功制备了BiFeO3晶态薄膜。研究了前驱液pH值对BiFeO3薄膜的影响。利用XRD,EDS和SEM等测试手段对在不同pH值下沉积的BiFeO3薄膜进行了表征。结果表明,由于Bi 3+络合物比Fe3+络合物的成核速率快,在pH值为1.5,Fe3+/Bi3+摩尔比为2.6时得到了纯相BiFeO3薄膜;随着pH值的增大,需要增大前驱液中Fe3+/Bi 3+摩尔比才能得到纯相BiFeO3薄膜;该工艺制备BiFeO3薄膜适宜的pH值范围为1.50～1.65,在这个范围内沉积的BiFeO3薄膜都很致密。

化学液相法制备BiFeO_3薄膜

以硝酸铋、硝酸铁以及柠檬酸为原料通过化学液相法在普通载玻片、(100)Si片和(100)ITO玻璃上分别制备了不同厚度的BiFeO3薄膜,研究了热处理温度对BiFeO3的形成以及微观形貌的影响。Si片上的薄膜由于与衬底之间的反应,得到纯BiFeO3相热处理温度需低于650℃,而在普通载玻片和ITO玻璃衬底上,525℃到650℃均可以得到结晶良好的纯BiFeO3薄膜。550℃热处理得到的BiFeO3薄膜中的晶粒尺寸大约在70～80nm之间,650℃热处理得到的晶粒尺寸约有140nm。磁性能测试证明薄膜有弱铁磁性,饱和磁化强度约在7000～9000A/m。

溶胶-凝胶法制备0.1BiFeO_3-0.9SrBi_2Nb_2O_9铁电薄膜的结构和光学性质研究

采用硝酸铋[Bi(NO3)3.5H2O]、硝酸锶[Sr(NO3)2]、硝酸铁[Fe(NO3)3.9H2O]和乙醇铌[Nb(OC2H5)5]作为起始原料,乙二醇甲醚[C3H8O2]作为溶剂配制掺Fe的SrBi2Nb2O9前驱体溶液,利用溶胶-凝胶法在石英衬底上制备出0.1BiFeO3-0.9 Sr-Bi2Nb2O9铁电薄膜。研究了该薄膜的表面形貌、组分、晶体结构和光学性质。结果表明,经400℃退火后薄膜为非晶结构,而在空气中经600℃退火1h后,沉积的薄膜晶化成钙钛矿结构。制备的薄膜表面平整,颗粒分布均匀,表现出良好的光透过性,该薄膜的光学能隙大约为2.5eV。

外延BiFeO_3薄膜的温度特性

基于Landau-Devonshire唯象理论,采用等效衬底晶格常数的方法,并拟合了磁刚度系数的温度函数,对多铁性外延BiFeO3薄膜的铁电性和磁性进行了研究。结果表明,70nm厚薄膜的磁化强度在10～731℃先增加后减小,在371℃时有最大值64569A/m,随膜厚的增加磁化强度的极值减小;自发极化、c轴晶格常数随膜厚的增加而减小,同一厚度薄膜随温度的升高自发极化强度减小;压电常数、相对介电常数随温度升高而增大,随膜厚增加而增加。

Dy^(3+)掺杂BiFeO_3薄膜的晶格转变和磁性能研究(英文)

以硝酸铋、硝酸铁以及硝酸镝等无机硝酸盐为原料通过化学液相法在Pt(111)/Ti/SiO2/Si上制备了Dy3+掺杂的BiFeO3薄膜,研究了Dy3+掺杂量的变化对Bi1-xDyxFeO3薄膜的晶体结构和磁性的影响。Dy3+掺杂量不高于10%的Bi1-xDyxFeO3薄膜可以得到与纯BiFeO3相同的晶体结构。随着Dy3+掺杂量的进一步增大,Bi1-xDyxFeO3薄膜的晶体结构发生变化,晶格从菱心结构转变为单斜或四方结构。磁性测试显示:随着Dy3+掺杂量的增加Bi1-xDyxFeO3薄膜的磁性增强,同时从无饱和磁化强度和零磁滞的S型磁化曲线的形状判断,薄膜由于铁磁反铁磁转变时两磁性相竞争表现出自旋玻璃态的特征。

BiFeO_3薄膜的图案化制备及性能研究

采用短波紫外光照射仪(λ=184.9nm)作为光刻设备,在光掩膜的覆盖下,将沉积在(111)Si基板上的十八烷基三氯硅烷(OTS)自组装单分子层(SAMs)进行刻蚀形成图案,并结合溶胶-凝胶法在功能化的OTS-SAMs表面制备图案化BiFeO3薄膜,并对BiFeO3薄膜性能进行研究.结果表明,所得图案化BiFeO3薄膜为六方扭曲的钙钛矿结构,图案边缘轮廓清晰,宽度在200μm左右;在最大测试电场为385kV/cm下,所得电滞回线有较好的对称性和饱和性,剩余极化强度为0.17μC/cm2,饱和极化强度为3.8μC/cm2,矫顽场强为19kV/cm.在1kHz～1MHz的频率范围内,介电常数随频率增加逐渐减小,介电损耗较小.

BiFeO3／Bi4Ti3O12多层铁电薄膜的性能研究

采用sol-gel法在FTO/玻璃底电极上制备了BiFeO3/Bi4Ti3O12多层薄膜。研究了室温下薄膜的结构,铁电和漏电流性质。结果表明,相对于纯的BiFeO3薄膜,BiFeO3/Bi4Ti3O12多层薄膜具有更低的漏电流,表现出较强的铁电性,在4.40×105V/cm的测试电场强度下,剩余极化强度为3.7×10–5C/cm2。在2.00×105V/cm的测试电场强度下,BiFeO3和BiFeO3/Bi4Ti3O12薄膜的漏电流密度分别为10–5和10–7A/cm2。

BiFeO_3薄膜的溶胶-凝胶制备及其铁电和介电性质

采用Bi(NO3)3.5H2O和Fe(NO3)3.9H2O为原料,用溶胶-凝胶方法在Pt/Ti/SiO2/Si制备了BiFeO3薄膜。XRD研究表明在500℃以上退火薄膜能够获得良好的结晶。铁电性测试结果表明450℃和500℃退火的薄膜铁电性相对较弱。在430 kV/cm的测试电场下,剩余极化分别为0.255μC/cm2和0.36μC/cm2。而550℃和600℃退火的薄膜的铁电性相对较强,在相同的测试电场下剩余极化强度分别为2.27μC/cm2和2.97μC/cm2。介电性研究表明450—550℃退火的薄膜具有小的介电色散和介电损耗,而600℃退火的薄膜则具有大的介电色散和介电损耗。

退火气氛对BiFeO_3薄膜电性能的影响

采用溶胶-凝胶法在氟掺杂SnO2/glass(FTO/glass)衬底上制备BiFeO3(BFO)薄膜,薄膜的退火气氛分别是空气、氧气、氮气,退火温度为500°C.XRD衍射图样表明BiFeO3薄膜结晶充分,没有杂相.剖面扫描电镜测试结果表明薄膜的厚度为600nm.铁电性测试表明在空气中退火的BiFeO3薄膜能够观察到饱和电滞回线,其剩余极化强度为53.9μC/cm2;在氧气和氮气气氛中退火的BiFeO3薄膜的剩余极化强度分别为53.6μC/cm2和39.2μC/cm2.在空气和氧气气氛中退火的BiFeO3薄膜,在相同的测试频率时表现出相近的介电常数.此外,在不同气氛中退火制备的BiFeO3薄膜具有不同的漏电流特性.

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.

室温下Sol-Gel法制备BiFeO_3薄膜的铁电和介电性

采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法,在LaNiO3包覆的SiO2/Si衬底上采用不同退火工艺制备了BiFeO3薄膜。原子力显微镜研究表明,薄膜表面光滑,并由不同大小的晶粒组成。X-射线表明不同样品结晶程度不同,并根据不同的退火工艺分别呈(010)择优取向和随机取向。2种取向的薄膜的双剩余极化强度分别为2.84μC/cm2和2.56μC/cm2。择优取向的薄膜在低频下的介电常数和介电损耗较大,且其薄膜中观察到大漏电流。并对两薄膜的导电机制用空间电荷限制的电导理论进行了分析。

Pt电极上BiFeO_3薄膜的淬火效应

用溶胶-凝胶法采用快速退火方法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了BiFeO3(BFO)薄膜。通过淬火冷却与自然冷却的对比,研究了淬火冷却对BiFeO3(BFO)薄膜的结构、形貌及电性能的影响。XRD研究表明淬火未对薄膜的结晶产生显著的影响。扫描电镜研究表明淬火导致薄膜表面粗糙度增加并出现了裂纹。铁电性测试表明淬火冷却得到的薄膜,其铁电性得到了增强,同时,淬火使BiFeO3薄膜的漏电流增加。

不同退火方式对0.7BiFeO_3-0.3PbTiO_3薄膜的铁电性能及漏电流的影响

利用溶胶凝胶法在LaNiO3/SiO2/Si衬底上制备了0.7BiFeO3-0.3PbTiO3(BFPT7030)薄膜,研究了快速退火及常规退火两种不同的后续退火处理方式对薄膜铁电性能及漏电流性能的影响.XRD测试表明,经快速退火处理的BFPT7030薄膜结晶完好,呈现出单一的钙钛矿相.SEM测试结果显示,经快速退火处理的BFPT7030薄膜结晶充分,但经常规退火处理的BFPT7030薄膜表面致密性较好,且在升温速率为2℃/min时薄膜的晶粒更细小.经快速退火处理的BFPT7030薄膜的铁电性能较为优异,在升温速率为20℃/s时,其剩余极化Pr为22μC/cm2,矫顽场Ec为70 kV/cm,并具有较小的漏电流.XPS测试结果表明,经常规退火处理的BFPT7030薄膜其铁离子的价态波动较小.