強磁場燒結對BiFeO3基薄膜微結構及漏電性能調控的研究

《強磁場燒結對BiFeO3基薄膜微結構及漏電性能調控的研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由湯現武擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：強磁場燒結對BiFeO3基薄膜微結構及漏電性能調控的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：湯現武
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

強磁場下合成材料可獲得其它常規方法難以獲得的材料微結構與性能。我們前期低磁場(＜1T)燒結BiFeO3(BFO)前驅薄膜的研究觀察到，磁場燒結可以有效調控BFO薄膜的微結構及漏電流等性能。本項目將在前期工作基礎上，採用化學溶液法製備BFO基薄膜，通過在強磁場（1-10T）下對未晶化和已晶化薄膜的燒結，實現對薄膜形核和長大以及漏電流的調控。擬選取BFO、Bi1-xGdxFeO3、BiFe1-xMnxO3及第二相Sm2O3摻雜的BFO薄膜為研究對象，研究強磁場燒結時，磁場強度、方向等參數對上述薄膜微結構和漏電特性的影響。通過IV測試、擬合漏電流曲線，並結合磁性、鐵電性能、磁介電等性能測試結果，建立強磁場燒結-摻雜-微結構-漏電流特性等的關聯；揭示強磁場燒結對漏電流特性進而對磁、電性能的影響機制，為提高BFO基薄膜的磁電性能提供實驗和理論依據。

結題摘要

BiFeO3(BFO)薄膜具有迄今為止最大的室溫電極化強度。化學溶液沉積法(CSD)作為製備薄膜的一種常用方法，近十年來被廣泛用於BFO薄膜的製備。但因製備的薄膜中由於Fe粒子的化合價的變價導致大量氧空位的存在，致使薄膜具有較大的漏電流。調控薄膜的氧空位，可以最佳化薄膜的相關性能。而降低氧空位，最佳化相關性能的最有效方式之一，是減少薄膜中Fe2+離子的含量。我們通過詳細研究零磁場下CSD製備的BFO薄膜的生長熱、動力學過程。認識到薄膜以自受限的方式生長。薄膜的漏電流密度、電極化強度、氧空位濃度隨燒結溫度、時間的增加而增大。觀察到薄膜單極阻變行與薄膜中的氧空位濃度，電極化強度和矯頑電場相關。通過不同溫度、不同強磁場下製備的BFO薄膜微結構和相關性能的研究。認識到磁場能夠促進薄膜的晶粒生長，但在高溫燒結條件下，磁場的促進作用不明顯。BFO薄膜中的Fe2+離子在磁場環境下趨向於Fe3+, 減少了氧空位，降低薄膜漏電流。薄膜電極化強度隨磁場強度的增加先增大，再降低。但與零磁場下製備的BFO薄膜相比，強磁場下製備的薄膜仍具有更高的電極化強度。薄膜的矯頑電場隨磁場的強度的增加而降低。對於場下製備磁性、非磁性離子摻雜BFO薄膜微結構和性能的研究結果表明磁場促進非磁性離子摻雜薄膜的，但降低了磁性離子摻雜薄膜的(001)取向度。但所有薄膜漏電性能都得到了改善，矯頑電場有所降低。總的說來，強磁場下製備BFO基薄膜，提供了一種既能增加薄膜晶粒尺寸，又同時降低薄膜漏電流，矯頑電場，提高薄膜電極化強度的方式。合成過程中磁性離子的價態趨於高磁矩態。為強磁場下氧化物的製備研究提供了一定的實驗結果。研究結果在國際學術刊物上發表論文7篇(其中Acta Materialia, Journal of Materials Chemistry C上各1篇，Journal of Appllied Physics上2篇)；申請中國發明專利1項。培養博士研究生2人，其中畢業1人；碩士研究生4人，其中畢業1人。