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一种逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜及其制备方法

2017-12-25 yuannuo01

  • 委托机构:
  • 技术经理人:
  • 科技成果持有方:陕西科技大学
  • 挂牌时间:2017-12-25
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  • 备注
所属领域 新材料技术
项目简介 一种逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜及其制备方法,将硝酸铋、硝酸铁和硝酸溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液中,得到前驱液A;将硝酸铋、硝酸铁和硝酸钐溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液中,得到前驱液B;先用前驱液A旋涂在FTO/glass基片上,烘烤并退火制备Tb掺杂的晶态的BiFeO3薄膜,在此薄膜上旋涂前驱液B,烘烤并退火制备出Sm掺杂的晶态的BiFeO3薄膜,在Sm掺杂的晶态的BiFeO3薄膜上交替制备Tb掺杂的晶态的BiFeO3薄膜和Sm掺杂的晶态的BiFeO3薄膜,即得到逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜。本发明采用溶胶凝胶工艺,设备要求简单,适宜在大的表面和形状不规则的表面上制备薄膜,且化学组分精确可控。
技术方案 1)将Bi(NO3)3·5H2O、Fe(NO3)3·9H2O以及Tb(NO3)3·6H2O按(0.91-0.97):1:(0.08-0.14)的摩尔比溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液中搅拌均匀,得到前驱液A;将Bi(NO3)3·5H2O、Fe(NO3)3·9H2O和Sm(NO3)3·6H2O按(0.90-0.97):1:(0.08-0.15)的摩尔比溶于乙二醇甲醚和醋酸酐的混合液中搅拌均匀,得到前驱液B;其中,前驱液A和前驱液B中总的金属离子浓度均为0.1~0.5mol/L; 2)将前驱液A旋涂在FTO/glass基片上,然后于180~260℃烘烤得干膜,再在550℃下退火8~10min,即得Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜; 3)将Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜冷却,在冷却后Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜上旋涂前驱液B,然后于180~260℃烘烤得干膜,再在550℃下退火8~10min,即在Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜上制备出Sm掺杂的晶态BiFeO3薄膜; 4)在Sm掺杂的晶态BiFeO3薄膜上交替制备Tb掺杂的晶态BiFeO3薄膜和Sm掺杂的晶态BiFeO3薄膜,得到逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜。
可量化指标 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)在制备前驱液A时,Bi(NO3)3·5H2O、Fe(NO3)3·9H2O以及Tb(NO3)3·6H2O的摩尔比为0.94:1:0.11,在制备前驱液B时,Bi(NO3)3·5H2O、Fe(NO3)3·9H2O和Sm(NO3)3·6H2O的摩尔比为0.91:1:0.14。 所述的步骤2)中的前驱液A在旋涂在FTO/glass基片上之前静置24~32h。 所述的步骤3)中的前驱液B在旋涂在FTO/glass基片上之前静置24~32h。 所述的步骤2)和步骤3)中的烘烤时间为6~12min。 一种采用所述的方法制备的逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜的晶粒尺寸在50~80nm,为六方结构属于R3c空间群,在500kV/cm的高电场下漏电流密度为10-5A/cm2。
对比技术 近年来以BiFeO3为代表的多铁性化合物体系,已形成一个世界范围的单相多铁性磁电材料的研究热潮。它在室温下同时具有铁电有序和反铁磁有序,由于具有较高的铁电相变温度(TC=1103K)和磁相变温度(TN=643K),因此BiFeO3成为可广泛应用于微电子学、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。 BiFeO3薄膜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,上述这些特点都大大地限制了BiFeO3薄膜的应用。
项目创新点 1、本发明选择镧系元素Tb和Sm进行A位掺杂,在BiFeO3的A位掺杂镧系元素可以稳定钙钛矿结构中的铁氧八面体,同时由于Tb替代了部分Bi,使得Bi在退火过程中的挥发量减少从而减少了氧空位的产生,因此能够有效的增强薄膜的绝缘性,减小漏导。而且A位掺杂也会在一定程度上破坏BiFeO3结构中周期性的磁螺旋结构,故而也可以改善其磁性能。而且在本发明中采用逐层交替掺杂的方式能通过薄膜内部界面效应,阻碍电子或者空穴在电场作用下的传递,可以进一步减小漏电流密度。 2、目前用于制备BiFeO3薄膜的方法有很多,如化学气相沉积法(CVD)、磁控溅射法(rfmagnetronsputtering)、金属有机物沉积法(MOD)、金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)、液相沉积法(LPD)、分子束外延法(MBE)、脉冲激光沉积法(PLD)等。相比其他方法,由于溶胶-凝胶法(Sol-Gel方法)具有不需要昂贵的真空设备,适宜在大的表面和形状不规则的表面上制备薄膜,而且Sol-Gel法制备BiFeO3薄膜所需温度低,有利于解决BiFeO3薄膜制备过程中的Fe变价和Bi挥发的问题;同时易于掺杂改性,可以有效地控制薄膜的组分和结构,薄膜化学成分比较容易控制,特别适于制备多组元氧化物薄膜材料,能精确控制薄膜的化学计量比和掺杂;因此,本发明采用Sol-Gel方法以逐层交替掺杂的形式制备逐层交替掺杂低漏电流BiFeO3薄膜。 3、本发明设备要求简单,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,并且可通过多元掺杂大幅度提高薄膜的电性能。这种方法能够制备出在500kV/cm的高电场下漏电流密度仍保持在10-5A/cm2左右的BiFeO3薄膜。
应用前景
项目阶段 未应用
经济效益
商业模式
技术交易方式 试用
意向交易额
询价交易额