B位低价元素掺杂BiFeO3薄膜的制备与性能研究

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BiFeO3(BFO)作为一种多铁材料,因其卓越的铁电、压电、铁磁性能可以应用于铁电随机存储器、微机电系统、智能设备中而受到研究者的广泛关注。目前BFO薄膜中因为(OV2-)、Fe变价、以及其他缺陷的存在,导致其漏电流过大,这一直是制约其发展的瓶颈。近年来,研究者根据影响薄膜性能的因素在提高其性能方面做了很多尝试,主要包括改善制备工艺和掺杂改性。其中掺杂改性被证实是改善薄膜性能最有效的方法。本文采用溶胶-凝胶法,制备BFO基薄膜样品,通过研究,得到以下主要结论:1、前驱体溶液浓度对薄膜的性能影响较大。浓度为0.3 mol/L的前驱体溶液制备的BiFe0.98Mn0.02O3(BFMO)薄膜的性能最佳。测试电场为1026 kV/cm时,0.3 mol/L的BFMO薄膜的剩余极化强度(2Pr)最大为149.3μC/cm2。在外加测试电场为300 kV/cm时,0.3mol/L的BFMO薄膜的漏电流密度最小为9.8?10-88 A/cm2。通过对漏电机制的分析得出,0.3 mol/L的BFMO薄膜的主要漏电机制为低电场下的欧姆传导机制和高电场下的空间电荷限制电流传导机制。从欧姆传导向蔡尔德定律的转变电压随着浓度的增大而增大,且基本与薄膜厚度的平方成线性关系,这从侧面说明了前驱体溶液浓度主要通过影响薄膜的厚度进而影响薄膜的性能。2、Zn掺杂对BFO薄膜的性能影响较大。测试电场为1000 kV/cm,Zn掺杂2 mol%的BFO薄膜的剩余极化强度(2Pr)最大为129.6μC/cm2。Zn掺杂在低电场下对降低薄膜的漏电流比较有效果。其漏电机制主要为低电场下欧姆传导,高电场下F-N隧穿效应。其漏电机制的转变与高电场下缺陷电子对的断裂有关。3、B位低价元素掺杂对BFO薄膜的性能影响较大。本文选取Cu、Zn、Mn元素对BFO进行B位掺杂,掺杂量均为2 mol%,研究表明,Cu和Zn掺杂可以提高剩余极化,当测试电场为933 kV/cm时,Cu和Zn掺杂的BFO薄膜的剩余极化强度分别为120.6μC/cm2和126.7μC/cm2。在整个测试电场范围内,Cu和Mn掺杂均可以降低BFO薄膜的漏电流,而Zn掺杂只在低电场下对降低薄膜漏电流有贡献。
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