【正文】 法(CSD)，即濕化學(xué)方法，包括溶膠凝膠法(SolGel)，金屬有機物分解法(MOD)，水熱法等。BiFeO3與其他鐵電材料相比，具有顯著的優(yōu)點。Sosnowska等人發(fā)現(xiàn)，BiFeO3不僅僅是簡單的G型反鐵磁結(jié)構(gòu)，它同時也是空間調(diào)制的螺旋磁結(jié)構(gòu)。的旋轉(zhuǎn)，而是從一個111軸轉(zhuǎn)向另外三個111軸上。圖15 兩種晶型BFO的晶胞參數(shù)BiFeO3的磁運動在偽立方的{111}面上是鐵磁耦合的，而在相鄰的兩面之間則是反鐵磁耦合的，即呈現(xiàn)G型反鐵磁有序狀態(tài)。同時Fe離子沿111。BiFeO3薄膜是贗立方結(jié)構(gòu)，屬于P4mm點群，晶格常數(shù)a=，c/a=，而有時仍是菱方結(jié)構(gòu)，屬于R3c點群[10]。該臨界溫度稱之為尼爾溫度(TN，Neel temperature)。這個臨界溫度稱為居里溫度。其自發(fā)磁化的根源是原子總磁矩，原子總磁矩是其內(nèi)部所有電子軌道磁矩、自旋磁矩和核磁矩的矢量和。為使M為零，需加一個反向磁場，即為矯頑場Hc。一般來講，鐵磁體等強磁物質(zhì)的磁化強度M或磁感應(yīng)強度B不是磁場強度H的單值函數(shù)，而依賴于其所經(jīng)歷的磁狀態(tài)歷史。初始狀態(tài)時，每個磁疇的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消。(b)鐵磁性是在此種材料中晶體中一個磁疇范圍內(nèi)的相鄰原子磁矩平行排列，不同磁疇之間的磁矩方向不同，外加磁場后，磁疇會向外加磁場方向轉(zhuǎn)動形成很大的凈磁矩。鐵電相與順電相之間轉(zhuǎn)變通常被稱為鐵電順電相變，該溫度稱為居里溫度或居里點Tc(Curie temperature)。至G點，反向自發(fā)極化強度達到飽和，反向電場繼續(xù)增加，GH段與BC段相似。線性部分BC的延長線與極化軸的截距Ps(saturation polarization)表示自發(fā)極化強度，是對每一個電疇而言的，相當(dāng)于每一個電疇的固有飽和極化強度。電場繼續(xù)升高，這時只有電子和離子的位移極化，與一般的電介質(zhì)一樣，P和E呈線性關(guān)系，如圖中BC段。在較強的交變電場作用下，鐵電體的極化強度P隨外電場呈非線性變化，而且在一定的溫度范圍內(nèi)，P表現(xiàn)為電場E的雙值函數(shù)，呈現(xiàn)出滯后現(xiàn)象，這個PE(或DE)回線就稱為電滯回線(hysteresis loop)[8]，如圖12所示。在受到機械約束時，伴隨著自發(fā)極化的應(yīng)變還將使應(yīng)變能增加。這10個點群稱為極性點群(polar point group)。這個方向與晶體的其他任何方向都不是對稱等效的，稱為特殊極性方向(special polar direction)。圖11 鐵電、鐵磁、鐵彈性的相互關(guān)系 鐵電性鐵電體是一類在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化(spontaneous polarization)的材料。磁電材料中同時存在的磁性和鐵電性來自其序參數(shù)的耦合[1]，如圖11所示。9H2O, Dy(NO3)3介電常數(shù)隨摻雜量的增加而增大，但介電損耗亦隨之增大。介電損耗隨著測試頻率增加而迅速增大。在100kHz低頻下。6H2O，Sr(NO3)2和C4H6MnO4以Bi(NO3)3其居里溫度為1103K，尼爾溫度為643K，是少數(shù)幾種在常溫下同時具有鐵磁性和鐵電性的多鐵材料之一。6H2O，Pr(NO3)3得出以下結(jié)論：隨著Pr摻雜量的增加，摻雜量為10%時，薄膜的介電常數(shù)最大，達到301，但其漏電流、介電損耗均很大。，摻雜量增加，介電性能變好，x=，達到365，而后隨著摻雜量增加，性能下降。5H2O, Fe(NO3)34H2O as raw materials, , thin films were prepared on FTO/glass substrate by SolGel method. The microstructure, dielectric, ferroelectric and leakage current properties of BiFeO3 thin films were tested through the XRD, SEM, Agilent E4980A, TF 2000 Analysis and the Agilent B2901A. We can draw the following conclusions:With the increasing amount of doping Pr, the dielectric constant of doesn’t change monotonically, when doped content is 10%, the dielectric constant of film reaches the best, which is 301, but its leakage current and dielectric loss is also very large. In 100kHz low frequency, the dielectric loss of the film is about , but this value increased rapidly to with the increasing of the test frequency. The leakage current density of the film is large, while x=, , the leakage current density of the film is as five times as that of x=, 020. When doped with 15% of Pr, under the applied electric field of 1034kV/cm, the film obtains a saturated electric hysteresis loop, and its remnant polarization strength is , coercive field is 320kV/cm.The dielectric property of film bees better with the Dy content increases monotonically. When x=, the film has a largest dielectric constant which is 365, and then this value decreases with the increasing of Dy concentration. The dielectric loss increases rapidly with test frequency. In 1MHz test frequency. this value of film almost reaches 1. When x=, the film obtain a saturate hysteresis loop, and it’s remnant polarization strength is As the doped concentration of Sr increased, the dielectric properties of bee better. And so does dielectric constant and dielectric loss. When x=, the film has the best ferroelectric properties, and it has a large Pr of KEY WORDS:BiFeO3 Thin film，SolGel method，Doped，F(xiàn)erroelectric property目 錄摘要 IABSTRACT II1 文獻綜述 1 多鐵材料簡介 1 多鐵材料 1 鐵電性 3 鐵磁性 1 BiFeO3材料的結(jié)構(gòu)及性能 4 BiFeO3薄膜研究進展 6 BiFeO3薄膜的制備方法 6 稀土元素摻雜改性研究 7 本課題研究目的與意義 9 本課題研究內(nèi)容 102 實驗 12 實驗原料 12 實驗設(shè)備 12 實驗流程 12 BFO薄膜的性能測試和分析方法 14 X射線衍射(XRD) 14 掃描電子顯微鏡測試(SEM) 15 鐵電性的測量與分析 16 介電性能測試 163 結(jié)果分析與討論 18 18 18 19 19 21 21 小結(jié) 22 23 23 23 24 26 26 小結(jié) 27 27 27 28 29 30 31 小結(jié) 324 總結(jié) 34致謝 35參考文獻 36371 文獻綜述 多鐵材料簡介 多鐵材料多鐵材料又被稱為磁電材料，是指在一定的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出共存的鐵電有序和磁性有序的材料，該材料被認(rèn)為同時在鐵電和磁性器件方面具有重要的應(yīng)用前景。多鐵性材料把鐵電材料和鐵磁材料這兩個相互分立的領(lǐng)域結(jié)合起來，應(yīng)用前景十分廣闊。整個晶體在該方向上呈現(xiàn)極性，一端為正，一端為負。在32個晶體學(xué)點群中，只有10個點群具有特殊極化方向，它們是1(C1)，2(C2)，3(C3)，4(C4)，6(C6)，m(C8)，mm2(C2v)，4mm(C4v)，3m(C3)，4mm(C6v)。束縛電荷產(chǎn)生的電場在晶體內(nèi)部與極化反向，使靜電能升高。疇的出現(xiàn)使晶體的靜電能和應(yīng)變能降低，但總自由能取極小值的條件決定了電疇的穩(wěn)定構(gòu)型。因而使鐵電晶體的極化強度P按圖中OA曲線隨電場E的升高而增加，一直到整個晶體成為一個單一的極化軸為止，也就是B點，這時所有的疇都沿外電場方向排列，達到飽和。它是自發(fā)極化的剩余部分而不是自發(fā)極化的全部，Pr(remanent polarization)稱為剩余極化強度，是對整個晶體而言的。圖12 電滯回線電場在負方向繼續(xù)增加，所有的電疇完全沿負方向定向，而至FG，F(xiàn)G稱為電疇反向定向區(qū)。當(dāng)溫度超過某一臨界值時，自發(fā)極化消失，鐵電體變?yōu)轫橂婓w(paraelectric)。(a)順磁性是在磁場作用下，材料中原有的混亂的無規(guī)則變化的磁矩向磁場方向轉(zhuǎn)動，造成磁矩沿磁場方向定向排列的現(xiàn)象。圖13 鐵磁性、順磁性、反鐵磁性和亞鐵磁材料內(nèi)部磁矩示在鐵磁材料中有很多的小區(qū)域，類似于鐵電體中的“電疇”，這些小區(qū)域被稱為“磁疇”。這中關(guān)系是一條閉合曲線，此曲線稱為磁滯回線，如圖14所示。當(dāng)H減小至零時，M不為零，而等于剩余磁化強度Mr。圖14 磁滯回線鐵磁物質(zhì)的磁性是自發(fā)產(chǎn)生的，不是由外界物質(zhì)提供磁矩。當(dāng)鐵磁性材料的溫度超過某一值時，由于無規(guī)則熱運動的增強，發(fā)生相變，磁性會消失，成為順磁。在某一臨界溫度以下時，反鐵磁材料具有反鐵磁性，而當(dāng)溫度超過該臨界值時，材料內(nèi)部熱運動勝過原子間的磁相互作用而成為順磁性材料。其鐵電性能是由于晶格變形使Bi3+、Fe3+偏移對稱中心位置所產(chǎn)生的，它的鐵電極化磁化都比較小，即使BiFeO3單晶在(001)。176。BiFeO3薄膜材料具有較大的剩余極化，BiFeO3塊體材料則由于漏電流，材料缺陷和非化學(xué)劑量配比等因素而未能得到可觀測的剩余極化。旋轉(zhuǎn)并不是磁矩在同一個111軸的正負向之間的180176。這使得相鄰111面上的磁矩出現(xiàn)鐵磁耦合。這種螺旋磁結(jié)構(gòu)造成整體磁矩相互抵消，因此人們無法在宏觀磁測量中得到較大的凈磁矩[13,14]。近年來，薄膜制備方法的發(fā)展，使得人們能夠制備出高質(zhì)量的BiFeO3薄膜，同時研究人員開始嘗試向BiFeO3中摻入稀土元素來改善其性能，這極大的減小了材料的漏導(dǎo)，從而獲得了強的鐵電性，BiFeO3又重新成為了熱門研究對象。物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)技術(shù)表示在真空條件下，采用物理方法，將固體或液體材料源表面氣化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子，并通過低壓氣體或等離子體過程，在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術(shù)。(3)分子束外延法分子束外延是一種特殊的蒸發(fā)技術(shù)，成膜材料以分子束方式在嚴(yán)格可控制的條件下和超高真空條件下載襯底表面生長出原子級厚度和平整度的外延薄膜，而且膜厚，組分，摻雜等均可精確控制。(5)金屬有機物分解法金屬有機物分解法是一種很方便的薄膜制備技術(shù)，和溶膠凝膠法一樣無需任何真空環(huán)境。最早的BiFeO3薄膜是采用磁控濺射法制備的，但是由于退火過程中的化學(xué)計量失衡和氧空位，薄膜的漏導(dǎo)電流較大，從而無法獲得飽和的電滯回線。其初始研究可追溯到1846年，Ebelmen等用SiCl4與乙醇混合后，發(fā)現(xiàn)在濕空氣中發(fā)生水解并形成了凝膠，這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)時未引起化學(xué)界和材料界的注意。在第九屆國際陶瓷大會暨新材料論壇上，溶膠凝膠仍然是主要的合成方法。BiFeO3在室溫下具有相稱的鐵電性和非相稱的反鐵磁性，反鐵磁排列如前所