一种LaSrMnCo共掺铁酸铋多铁薄膜及其制备方法与流程

文档序号：11398222阅读：514来源：国知局

本发明属于功能材料领域，涉及在功能化的fto/glass基板表面制备lasrmnco共掺铁酸铋多铁薄膜，具体为bi0.97-xlaxsr0.03fe0.94mn0.04co0.02o3多铁薄膜，x＝0.03～0.18。

背景技术：

多铁材料是指在一定温度范围内同时具有铁电性、铁磁性或铁弹性中两种或两种以上的材料。bifeo3(bfo)是少数的单相多铁材料之一，具有扭曲的钙钛矿结构(属于r3c点群)，由立方结构沿(111)方向拉伸而形成的一种偏离理想钙钛矿结构的斜六方结构，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)，在磁电传感器，自旋电子器件，存储器等方面有广泛的应用前景而得到关注。

目前用于制备bifeo3薄膜的方法有很多，但是bifeo3薄膜中铋元素的易挥发以及部分fe³⁺向fe²⁺的转变，使薄膜中产生较多的氧空位，从而导致bifeo3薄膜存在着严重的漏电现象和较大的矫顽场，磁性较弱，难以极化，很难获得较高的剩余极化值，因此在实际应用中受到限制。此外，bifeo3薄膜中存在弱铁磁性，使其难以满足新一代存储器件和其它多功能器件所需要强磁电耦合。为改善bifeo3薄膜的多铁性能，最为常见的办法就是离子掺杂。

目前，还没有关于bi0.97-xlaxsr0.03fe0.94mn0.04co0.02o3多铁薄膜及其制备方法的相关报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种lasrmnco共掺铁酸铋多铁薄膜及其制备方法，该方法设备要求简单，实验条件容易达到，掺杂量容易控制，制得的lasrmnco共掺铁酸铋多铁薄膜为bi0.97-xlaxsr0.03fe0.94mn0.04co0.02o3多铁薄膜，可改善bifeo3基薄膜的多铁性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种lasrmnco共掺铁酸铋多铁薄膜，所述lasrmnco共掺铁酸铋多铁薄膜为bi0.97-xlaxsr0.03fe0.94mn0.04co0.02o3薄膜，x＝0.03～0.18，其结构为三方结构，空间群为r3c:h和r3m:r共存。

所述lasrmnco共掺铁酸铋多铁薄膜在700kv/cm电场下的剩余极化值为191～230μc/cm²，矫顽场为222～274kv/cm。

所述lasrmnco共掺铁酸铋多铁薄膜在1khz频率下的介电常数为488～774。

所述的lasrmnco共掺铁酸铋多铁薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按摩尔比为(1.02-x):x:0.03:0.94:0.04:0.02将硝酸铋、硝酸镧、硝酸锶、硝酸铁、醋酸锰和硝酸钴溶于乙二醇甲醚中，搅拌均匀后加入醋酸酐，继续搅拌均匀，得到前驱液；其中x＝0.03～0.15；

步骤2：将前驱液旋涂在fto/glass基片上，得到湿膜，湿膜经匀胶后在190～210℃下烘烤得干膜，再于540～550℃下在空气中退火，得到晶态bi0.97-xlaxsr0.03fe0.94mn0.04co0.02o3薄膜；

步骤3：将晶态bi0.97-xlaxsr0.03fe0.94mn0.04co0.02o3薄膜冷却至室温，重复步骤2直到达到所需厚度，即得到lasrmnco共掺铁酸铋多铁薄膜。

所述步骤1中前驱液中金属离子的总浓度为0.2～0.4mol/l。

所述前驱液中乙二醇甲醚和醋酸酐的体积比为(2.5～3.5):1。

所述步骤2进行前先将fto/glass基片清洗干净，然后在紫外光下照射，使fto/glass基片表面达到原子清洁度。

所述步骤2中匀胶时的匀胶转速为3600～4200r/min，匀胶时间为12～18s。

所述步骤2中匀胶后的烘烤时间为6～8min。

所述步骤2中的退火时间为20～25min。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的lasrmnco共掺铁酸铋多铁薄膜的制备方法，采用溶胶-凝胶法，以硝酸铋、硝酸镧、硝酸锶、硝酸铁、醋酸锰和硝酸钴为原料(硝酸铋过量5％)，以乙二醇甲醚和乙酸酐为溶剂，配制前驱液，再用旋涂法和层层退火的工艺制备了bi0.97-xlaxsr0.03fe0.94mn0.04co0.02o3薄膜，即lasrmnco共掺铁酸铋多铁薄膜。本发明选择稀土元素la和碱土金属sr掺杂a位，过渡金属mn和co掺杂b位，通过a、b位共掺杂的方式，使薄膜具有良好的介电和铁电性能。在a位上掺杂稀土元素可以抑制bi的挥发，减少氧空位，进而减小漏电流，有效提高薄膜的铁电性能；二价碱金属离子可以补偿氧空位造成的电荷不平衡，有效地抑制fe³⁺离子的价态波动；在b位上掺杂过渡金属离子可以抑制fe³⁺向fe²⁺转换，减少氧空位的产生，磁性离子的掺杂能够提高薄膜的磁性能。通过a、b位共掺杂可以有效的抑制bi的挥发，减少薄膜中fe²⁺、氧空位的含量和缺陷的产生，从而增强薄膜在外加电场下的极化强度，有效改善了薄膜的铁电性能。本发明采用溶胶-凝胶工艺，相比于其他制备薄膜的方法，该方法设备要求简单，实验条件易于实现，成本低廉，反应容易进行，工艺过程温度低，制备过程及掺杂量容易控制，化学组分精确可控，适宜在大的表面和形状不规则的表面上制备薄膜，很容易均匀定量地掺入一些微量元素，可以在短时间内获得原子或分子水平的均匀性，本发明制备的lasrmnco共掺铁酸铋多铁薄膜均匀性较好，具有高剩余极化值、低矫顽场和高介电常数，有效地提高了薄膜的铁电和介电性能。

本发明制得的lasrmnco共掺铁酸铋多铁薄膜的致密度高、晶粒尺寸均匀，其化学结构式为bi0.97-xlaxsr0.03fe0.94mn0.04co0.02o3，x＝0.03～0.18，该薄膜属于三方结构，空间群为r3c:h(23.34％～72.74％)和r3m:r(27.26％～76.66％)共存，该薄膜具有高剩余极化值、低矫顽场和高介电常数，能够改善bifeo3基薄膜的多铁性能。

进一步的，本发明制得的lasrmnco共掺铁酸铋多铁薄膜在电场为700kv/cm、la含量x分别为0.03、0.06、0.09、0.18时，其剩余极化强度依次为230μc/cm²、209μc/cm²、215μc/cm²、191μc/cm²，矫顽场依次为274kv/cm、271kv/cm、265kv/cm、222kv/cm，为高剩余极化值(191～230μc/cm²)和低矫顽场(222～274kv/cm)的多铁薄膜。并且本发明制得的lasrmnco共掺铁酸铋多铁薄膜在频率为1khz、la掺杂量x为0.03、0.06、0.09、0.18时，其介电常数分别为488、689、653、774，为高介电常数多铁薄膜。

附图说明

图1是本发明制备的lasrmnco共掺铁酸铋多铁薄膜的xrd精修图；

图2是本发明制备的lasrmnco共掺铁酸铋多铁薄膜的介电常数和介电损耗与测试频率的关系图；

图3是本发明制备的lasrmnco共掺铁酸铋多铁薄膜的电滞回线。

具体实施方式

下面结合附图和本发明优选的具体实施例对本发明做进一步描述，原料均为分析纯。

实施例1