制备四方相室温多铁性材料BiFeO₃的方法

专利名称：制备四方相室温多铁性材料BiFeO₃的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备四方相室温多铁性材料BiFeO3的工艺，属于无机纳米材料合成的技术领域。
背景技术：
当今社会是信息爆炸的社会，更低能耗、更高速度和更高密度的信息存储变得日益重要。对于磁性存储器，需要通过较大的电流来改变铁磁层磁矩取向，增加了器件结构的复杂性和操作过程中的能耗，并影响了存储密度的提高。铁电性(反铁电性)，铁磁性(反铁磁性，亚铁磁性)等铁性同时共存于多铁性材料中，将实现电和磁之间的相互调控，从而在自旋电子学中具有重要的应用。通过外加电场而不是电流来调控磁矩，将极大的降低能耗。 BiFeO3具有高于室温的铁电居里点Γ1100Κ)和反铁磁奈尔点Γ640Κ)，因而在多铁性材料中备受关注。BiFeO3具有非常优异的铁电性能(外延的单晶薄膜和块体的饱和电极化强度达60 μ C/cm2)，其磁性为G类型的反铁磁结构，相邻的反平行排列的Fe离子的磁矩间存在微小的倾角，同时磁矩还有周期为大约62nm的螺旋结构。BiFeO3薄膜具有多种晶体结构，其中在LaAlO3衬底上可以得到四方相的结构，四方相BiFeO3由于具有大的c/a晶格常数比，因而被认为具有更大的电极化强度。但是由于四方相BiFeO3与LaAlOdf底晶格常数的失配，在厚度大于40nm，BiFeO3薄膜将无法保持单相的四方相结构。

发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种制备四方相室温多铁性材料BiFeO3的方法，该方法通过利用NdAlO3作为缓冲层，通过缓冲层在(001 )LaA103衬底上的晶格弛豫，最大程度的匹配四方相BiFeO3的晶格常数，从而在更大的厚度范围制备了单相的四方相BiFeOj^膜。技术方案本发明的一种制备四方相室温多铁性材料BiFeO3的方法包括以下步骤I)、在(001) LaAlO3衬底上利用脉冲激光沉积方法先生长一层NdAlO3缓冲层；2)、在NdAlO3缓冲层上再继续利用脉冲激光沉积方法生长BiFeO3薄膜，即可得到四方相结构的BiFeO3薄膜。所述的生长NdA103、BiFeO3薄膜，还能采用磁控溅射、分子束外延薄膜制备工艺。调整脉冲激光能量和脉冲数，磁控溅射的功率和薄膜沉积时间的薄膜制备工艺的参数，调整缓冲层NdAlO3的厚度，制备更大厚度的单相四方相BiFe03。本发明首先在(OOl)LaAlO3衬底上沉积一层NdAlO3作为缓冲层，由于NdAlO3的晶格常数3.747 A,小于LaAlO3的晶格常数3.789 A。调整NdAlO3缓冲层的厚度，通过晶格弛豫，从而可以调整NdAlO3的晶格常数。四方相BiFeO3的晶格常数介于LaAlO3和NdAlO3的晶格常数之间，通过NdAlO3缓冲层的厚度的调整，可以最大限度的匹配NdAlO3和四方相BiFeO3的晶格常数。有益效果相对于其它昂贵的衬底，本工艺具有方法简单，价格便宜，晶格常数有更大的调整弹性，能获得更大厚度的单相的四方相BiFeO3薄膜，具有较强的推广与应用价值。(I)利用缓冲层而不是特殊的晶体基片，工艺简单，易于操作，且价格低廉。(2)利用缓冲层在不同厚度下的晶格弛豫，可以最大程度的匹配缓冲层与四方相BiFeO3的晶格常数，能在更大的厚度范围获得单相的四方相结构。


图1为利用脉冲激光沉积技术，在(OOl)LaAlO3衬底上先沉积一层NdAlOJ^冲层，然后在其上沉积一层160nm厚的BiFeO3薄膜的XRD图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。本发明的目的在于提供一种四方相室温多铁性材料BiFeO3的制备工艺,该制备方法首先在(OOl)LaAlO3衬底上先制备一层NdAlO3缓冲层，在NdAlO3缓冲层上沉积BiFeO3薄膜即可得到更大厚度范围的单相四方相的BiFeO3薄膜。在本发明实施例中，薄膜的沉积可以采用脉冲激光沉积技术，磁控溅射，分子束外延技术等各种不同的薄膜制备工艺。在本发明实施例中，NdAlO3缓冲层的厚度可以通过改变薄膜制备工艺参数进行调整，氧化物薄膜的制备可以在不同的衬底温度，不同的氧气分压等条件下制备，并在不同的氧气分压下退火处理。下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。I)、首先利用脉冲激光沉积技术，在(001) LaAlO3衬底上先沉积一层NdAlO3缓冲层，选择激光能量300mJ，频率5Hz，脉冲数1000，衬底温度880° C，氧气分压10Pa，靶基距5cm ； 2)、然后继续利用脉冲激光沉积技术，在NdAlO3缓冲层上生长BiFeO3薄膜，选择激光能量300mJ，频率IOHz，脉冲数2000，衬底温度750° C，氧气分压7Pa，靶基距5cm ；3)、所得薄膜样品在衬底温度550° C，氧气分压I个大气压下保温半小时，然后自然降温。所得BiFeO3薄膜厚度大约160nm，其结构见图1所示的XRD图，从图上我们可以看出BiFeO3薄膜表现出单相的四方相结构。本发明实例提供了一种四方相室温多铁性材料BiFeO3的制备工艺，该工艺通过在(001) LaAlO3单晶衬底上先沉积一层NdAlO3薄膜作为缓冲层从而制备出单相的四方相BiFeO3薄膜。薄膜的制备可以通过脉冲激光沉积，磁控溅射，分子束外延等各种薄膜制备技术，并可以调整衬底温度，氧气气压等各种参数进一步改进薄膜的晶体结构。NdAlOd^冲层的厚度可以通过改变薄膜制备工艺参数的调整，例如脉冲激光沉积的激光能量与脉冲数，磁控溅射的时间和能量等，利用缓冲层在不同厚度下的晶格弛豫，可以最大程度的匹配缓冲层与四方相BiFeO3的晶格常数，能在更大的厚度范围获得单相的四方相结构。本工艺利用缓冲层而不是特殊的单晶基片，工艺简单，易于操作，且价格低廉，能在更大的厚度范围获得单相的四方相结构的BiFeO3，实用性强，具有较强的推广与应用价值。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种制备四方相室温多铁性材料BiFeO3的方法，其特征在于该方法包括以下步骤1)、在(001)LaAlO3衬底上利用脉冲激光沉积方法先生长一层NdAlO3缓冲层；2)、在NdAlO3缓冲层上再继续利用脉冲激光沉积方法生长BiFeO3薄膜，即可得到四方相结构的BiFeO3薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种制备四方相室温多铁性材料BiFeO3的方法，其特征在于所述的生长NdA103、BiFeO3薄膜，还能采用磁控溅射、分子束外延薄膜制备工艺。
3.根据权利要求1所述的一种制备四方相室温多铁性材料BiFeO3的方法，其特征在于调整脉冲激光能量和脉冲数，磁控溅射的功率和薄膜沉积时间的薄膜制备工艺的参数，调整缓冲层NdAlO3的厚度，制备更大厚度的单相四方相BiFeO3。
全文摘要
本发明公开了一种制备四方相室温多铁性材料BiFeO3的方法。具体步骤为在(001)LaAlO3单晶衬底上，先沉积一层NdAlO3薄膜作为缓冲层，然后沉积BiFeO3薄膜从而制备出单相的四方相结构的BiFeO3。本发明有效的克服了LaAlO3等衬底与四方相BiFeO3的晶格失配导致的晶格弛豫引起的相分离，能够制备出单相的四方相BiFeO3薄膜。
文档编号C23C16/40GK103014625SQ20121058489
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者徐庆宇, 袁学勇 申请人:东南大学