铽、镝A位共掺杂铁酸铋纳米薄膜多铁特性的研究

摘要

瑞士科学家Schmid在1994年首先提出了多铁性这一概念，它指的是材料中包含有不少于两种铁的基本性能的物质，这里的基本性能包括铁电性（反铁电性），铁磁性（反铁磁性、亚铁磁性）和铁弹性。因为具备磁电、声光等良好的性能故在磁传感、换能器件、信息存储（磁电随机存储器）、传感器以及集成电路方面有着天然的优势因而被用到实际生活中来，所以也被越来越多的学者关注。铋基钙钛矿结构的ABO3型氧化物BiFeO3是为数不多的一种既在常规温度下具有铁电性(Tc=1103 K)和反铁磁性(TN=643 K)的材料，在理论上其具有高的饱和铁电极化，这些特点让其成为材料界的新宠儿。BiFeO3材料由于其特殊的微观结构使得其在室温下磁性不太理想甚至变弱;再者在制备BiFeO3样品的过程中由于是高温烧结且窗口空间相对较小，所以在高温煅烧过程中Bi3+离子容易挥发以及Fe3+离子由于缺少氧气的支持而降为Fe2+离子等因素使得样品漏电流较大，这样就导致研究最终测得的铁电回线无法饱和且剩余极化强度也偏低，同样也阻碍了多铁材料的应用发展。在这种背景下一些研究者就开始尝试如何能增强材料的铁电性能和铁磁性能，经过不懈努力摸索出能不同程度的改善其性能的方法。其中La系稀土离子A位掺杂BiFeO3材料是性价比较高的方法之一。
　　基于上述内容，本课题选取La系元素铽和镝对BiFeO3薄膜分别进行A位掺杂及共掺杂，探究其性能是否得到了改善。我们通过溶胶-凝胶法(Sol-gelmethod)在Pt/Ti/SiO2/Si(100)衬底上分别制备出BiFeO3、Bi0.9Tb0.1FeO3、Bi0.9Dy0.1FeO3以及Bi0.9Dy0.05Tb0.05FeO3纳米薄膜(厚度大约300nm)，并对这四种薄膜进行XRD衍射实验用来观察其晶体结构，做SEM扫描实验能观察期表面形貌，最后用多铁测试仪测试其铁电性、漏电流及磁性等性能。
　　对测试后的结果分析后发现，掺杂稀土元素后的Bi0.9Tb0.1FeO3、Bi0.9Dy0.1FeO3以及Bi0.9Dy0.05Tb0.05FeO3薄膜相对纯相的BiFeO3薄膜的各种物理性能均有了明显的提高。这是由于掺杂Tb和Dy元素的BiFeO3薄膜产生品格畸变，其相结构由单一的菱方相结构转变为正交相和斜方相的共存结构，漏电流得到了改善，有效的抑制了氧空位的产生。Dy和Tb元素A位共掺杂BiFeO3薄膜材料的实验为探究其他材料的改性实验也提供了一个范例，同时也为铁酸铋材料的实际发展应用提供了一种可行的方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 多铁性材料概述

1．2 BiFeO3的研究背景

1．3 BiFeO3的结构和物理性能

1．3．1 Bi FeO3的结构

1．3．2 BiFeO3的铁电性

1．3．3 Bi FeO3的铁磁性

1．4 提高BiFeO3物理性能的基本途径

1．5 本文的研究目的及意义

第二章 实验原理及方法

2．1 制备BiFeO3薄膜的方法

2．2 制备BiFeO3薄膜的实验过程

2．3 BiFeO3的性能表征方法

2．3．1 X射线衍射测试原理分析(XRD)

2．3．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．3 拉曼光谱仪(Raman)

2．3．4 X射线光电子能谱实验分析(XPS)

2．3．5 铁电特性漏电流特性测试

2．3．6 磁性测量(VSM、MPMS)

第三章 铽、镝共掺BiFeO3薄膜的结构与性能的研究

3．1 引言

3．2 铽、镝元素掺杂BiFeO3薄膜样品的XRD分析

3．3 铽、镝元素掺杂BiFeO3薄膜样品的SEM分析

3．4 铽、镝元素掺杂BiFeO3薄膜样品的磁性分析

3．5 铽、镝元素掺杂BiFeO3薄膜样品的铁电性能分析

3．6 铽、镝元素掺杂BiFeO3薄膜样品的漏电流分析

第四章 总结

参考文献

致谢

作者攻读硕士学位期间发表和完成的论文目录