BiFeO3(BFO)是一种典型的单相多铁材料，在室温下同时具有铁电性和弱反铁磁性即同时具有铁电有序和G型反铁磁有序。其居里温度为1103K，尼尔温度为643K，是少数几种在常温下同时具有铁磁性和铁电性的多铁材料之一。
以Bi(NO3)3·5H2O，Fe(NO3)3·9H2O，Dy(NO3)3·6H2O和C4H6MnO4·4H2O为原料，采用溶胶-凝胶法在FTO/glass基底上制备BiFeO3、Bi1-xDyxFeO3、Bi0.92Dy0.08Fe1-xMnxO3和Bi0.90Dy0.10Fe1-xMnxO3薄膜。通过XRD，SEM，Agilent E4980A，TF 2000 Analysis 及Agilent B2901A测试对BiFeO3薄膜的物相、微观形貌、介电性、铁电性和漏电流等进行了表征和研究。得出以下结论：
随着Dy掺杂量的增加，Bi1-xDyxFeO3薄膜的介电常数并不是单调变化的，当掺杂量为8%和10%时，薄膜介电常数显著增加，分别为241、240；当测试频率为1MHz时，Bi1-xDyxFeO3薄膜的介电损耗均小于0.22。掺杂后Bi1-xDyxFeO3薄膜的漏电流密度(约为10-8～10-9)明显比纯相BiFeO3(约为10-6)低两到三个数量级。薄膜的剩余极化随着Dy掺杂而显著增加，当掺杂量为8%时，剩余极划强度为32.4μС/cm2，矫顽场为296kV/cm。
Bi0.92Dy0.08Fe1-xMnxO3薄膜的介电常数随着测试频率的增加减小幅度较快，介电损耗在小于100kHz时，呈减小趋势，在频率大于100kHz时，呈增加趋势。随着Mn掺杂量的增加，Bi0.92Dy0.08Fe1-xMnxO3薄膜的漏电流密度逐渐增加。Bi0.92Dy0.08Fe1-xMnxO3薄膜的剩余极化强度显著增强，当共掺Dy8%，Mn2%时，薄膜的铁电性能最好，在833kV/cm的电场下，剩余极化值Pr为74.8μC/cm2，矫顽场Ec大约为287kV/cm。
Bi0.90Dy0.10Fe1-xMnxO3薄膜的介电常数随着测试频率的增加减小幅度较快，介电损耗在小于100KHz时，呈减小趋势，在频率大于100kHz时，呈增加趋势。随着Mn掺杂量的增加，Bi0.90Dy0.10Fe1-xMnxO3薄膜的漏电流密度逐渐增加。Bi0.92Dy0.08Fe1-xMnxO3薄膜的剩余极化强度显著增强，当共掺Dy10%，Mn3%时，薄膜的铁电性能最好，在917kV/cm的电场下，剩余极化值Pr为96μC/cm2，矫顽场Ec大约为320kV/cm。
关键词：BiFeO3薄膜，溶胶-凝胶法，掺杂，铁电性，漏电流
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
1 文献综述 1
1.1 多铁材料简介 1
1.1.1 铁电性 2
1.1.2 铁磁性 3
1.2 BiFeO3材料的简介及研究进展 3
1.2.1 BiFeO3材料的简介 3
1.2.2 BiFeO3薄膜的研究进展 5
1.3 本课题研究的目的及意义 11
1.4 本课题的研究内容 12
2 实验 13
2.1 实验原料 13
2.2 实验设备 13
2.3 实验流程 13
2.4 BFO薄膜的性能测试和分析方法 15
2.4.1 XRD分析 15
2.4.2 SEM分析 15
2.4.3 介电测试 16
2.4.4 铁电性能测试 16
3 结果分析与讨论 19
3.1 Bi1-xDyxFeO3薄膜的结构与性能研究 19
3.1.1 Bi1-xDyxFeO3薄膜的晶体结构 19
3.1.2 Bi1-xDyxFeO3薄膜的形貌分析 20
3.1.3 Bi1-xDyxFeO3薄膜的介电分析 21
3.1.4 Bi1-xDyxFeO3薄膜的漏导电流 22
3.1.5 Bi1-xDyxFeO3薄膜的电滞回线 23
3.1.6 小结 24
3.2 Bi0.92Dy0.08Fe1-xMnxO3薄膜的结构和性能研究 24
3.2.1 Bi0.92Dy0.08Fe1-xMnxO3薄膜的晶体结构 24
3.2.2 Bi0.92Dy0.08Fe1-xMnxO3薄膜的形貌分析 25
3.2.3 Bi0.92Dy0.08Fe1-xMnxO3薄膜的介电分析 26
3.2.4 Bi0.92Dy0.08Fe1-xMnxO3薄膜的漏导电流 27
3.2.5 Bi0.92Dy0.08Fe1-xMnxO3薄膜的电滞回线 29
3.2.6 小结 29
3.3 Bi0.90Dy0.10Fe1-xMnxO3薄膜的结构和性能研究 30
3.3.1 Bi0.90Dy0.10Fe1-xMnxO3薄膜的晶体结构 30
3.3.2 Bi0.90Dy0.10Fe1-xMnxO3薄膜的形貌分析 30
3.3.3 Bi0.90Dy0.10Fe1-xMnxO3薄膜的介电分析 31
3.3.4 Bi0.90Dy0.10Fe1-xMnxO3薄膜的漏导电流 33
3.3.5 Bi0.90Dy0.10Fe1-xMnxO3薄膜的电滞回线 34
3.3.6 小结 35
4 总结 36
致谢 37
参考文献 38
本课题研究的目的及意义
BFO薄膜真正应用于微电子器件，必须同时具有较强的铁电性、铁磁性和磁电效应，矫顽场和厚度应足够小，纯的BFO薄膜显然不能满足要求。要做到这一点必须对BFO薄膜进行改性处理，虽然人们通过大量的研究工作降低BFO-基薄膜的漏电流，改善了其电学性能，但是尚有一些问题有待于解决。
首先从制备方法上来说，目前制备BiFeO3薄膜主要有物理沉积法和化学沉积方法两大类。其中物理沉积方法主要包括溅射法，电子束蒸发法，脉冲激光沉积法和分子束外延法等。物理沉积法一般是在较高的真空度下进行，所以沉积速度较慢，但是由于本身洁净度高，薄膜致密度和平整度较高；利用物理沉积方法容易制备出取向度较高的薄膜，所以通过控制趁机条件可以得到需求的性能；同时物理沉积法一般在高温下进行，所以对衬底本身的侵蚀较严重，容易出现界面问题。化学沉积方法主要包括sol-gel法，气相沉积法，金属有机物分解法等。化学沉积方法制备条件并不苛刻，不需要高温、高压或者是真空的条件，只需要在室温下保持实验环境清洁；成本较低，不需要大量的电量消耗，药品的耗费也较少；对于制备薄膜的控制性也较好，工艺参数以与调整。但是化学沉积方法制备出的薄膜易于受实验环境的影响，薄膜致密度和平整度不够，稳定性和重复性不好，制备薄膜的性能不如物理沉积方法制备的薄膜的性能优越，而且不容易制备出取向度高的薄膜。本课题中选择sol-gel法，其成膜效果好、稳定性强、膜层厚度可控、高效，通过简单的设备、较低的成本就可以得到均匀致密的薄膜，并且可以通过改善薄膜均匀性、致密度及形貌，降低铁酸铋薄膜的漏导电流，改善薄膜的电性能。
其次是从对薄膜的掺杂改性上来说，本课题通过对A-B共掺杂(A位掺镧系元素、B位掺同价或高价离子)来改善薄膜的电性能以及磁性能。已经有大量的文献报道了对A、B位的共掺杂可以有效地降低薄膜的漏导电流，增强薄膜的铁电性能和铁磁性能。武汉大学的袁娜等人[28]采用Sol-gel法，在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上成功制备出纯相(BFO)和Ce、V共掺杂Bi0.97Ce0.03Fe1-xVxO3(x=0，0.01，0.02，0.03)(BCFVx)薄膜。在掺量为1%时，Bi0.97Ce0.03Fe0.99V0.01O3薄膜具有较好矩形度的电滞回线，在外加电场1167kV/cm下，剩余极化Pr=39.1μС/cm2，矫顽场Ec=387kV/cm，表现出较好的铁电特性。Bi0.97Ce0.03Fe1-xVxO3薄膜的介电常数明显增加，漏电流密度和介电损耗下降。Hu等人[29]首次从缺陷化学的角度提出了彻底解决BFO薄膜漏电难题的有效方法，通过低价Zn和高价Ti的共掺，成功将BFO薄膜的漏电流由未经掺杂时的10-5数量级降低至10-7数量级，室温下测得的薄膜的剩余极化达84μC/cm2(如图1-9所示)。
图1-9 Hu等人制备的Zn和Ti共掺的BFO薄膜的电滞回线
本课题组对于BiFeO3薄膜的制备和性能研究有一定的工作基础，通过sol-gel法已经制备出纯相的BiFeO3薄膜，制备的薄膜致密度较高，均匀性好，且工艺条件成熟、稳定。本工作通过对BiFeO3薄膜用镝(Dy)和锰(Mn)两种元素共掺，来改善BiFeO3薄膜的铁电性能。
1.4 本课题的研究内容
(1)采用溶胶-凝胶法制备BiFeO3薄膜，并对BiFeO3薄膜进行A位掺杂，研究掺杂量对BiFeO3结构、微观形貌、铁电性、介电性以及漏电流的影响。
(2)在确定A位掺杂量的基础上，对BiFeO3薄膜进行B位替代，并研究共掺杂对BiFeO3薄膜结构、表面形貌、介电性能、铁电性能以及漏电流的影响，从而确定出A-B位共掺的最佳共掺量。
