【摘 要】
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铁酸铋（BiFeO3）是目前唯一的室温单相多铁性材料,同时具有G型反铁磁性和铁电性的。因此,在过去的十年或更长的时间里,广泛的研究已经致力于各种不同形式的BiFeO3基材料,包括陶瓷块、薄膜和纳米结构。BiFeO3薄膜表现出多功能的结构和许多有趣的特性,特别是强大的铁电性、固有的磁电耦合和新出现的光伏效应。卓越的物理性能使其被广泛应用于铁电随机存储器,声表面波器件,热释电探测器,移相器。但是其本征
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铁酸铋（BiFeO3）是目前唯一的室温单相多铁性材料,同时具有G型反铁磁性和铁电性的。因此,在过去的十年或更长的时间里,广泛的研究已经致力于各种不同形式的BiFeO3基材料,包括陶瓷块、薄膜和纳米结构。BiFeO3薄膜表现出多功能的结构和许多有趣的特性,特别是强大的铁电性、固有的磁电耦合和新出现的光伏效应。卓越的物理性能使其被广泛应用于铁电随机存储器,声表面波器件,热释电探测器,移相器。但是其本征缺陷的存在:泄漏电流和氧空位较高,降低了BiFeO3薄膜的电学性能。为此,本文的研究内容就是围绕降低缺陷、氧空位含量和漏电流密度,得到优异的物理性能。本论文采用sol-gel法在掺氟的氧化锡的衬底上制备BiFeO3薄膜,并研究了Mn,（Zn,Mn）,（Mg,Mn）,（Zr,Mn）在B位掺杂对薄膜晶体结构,微观缺陷,铁电性能的影响。主要研究结果如下:（1）通过对单掺Mn的Bi Fe1-xMnxO3（BFMO）薄膜铁电性能的研究,发现在Fe位掺杂Mn2+离子的BiFeO3薄膜具有R3c钙钛矿结构,无杂质相。Mn2+的掺杂抑制薄膜晶粒长大,减少表面孔隙。同时通过元素价态分析证明,Mn2+在BiFeO3薄膜中发生价态转变,有Mn3+离子出现。由于Mn3+离子的存在,抑制了Fe3+向Fe2+的转变过程,降低氧空位等缺陷浓度,造成薄膜漏电流密度降低,抑制大的假性极化的出现。同时,晶粒尺寸和缺陷浓度的减小有益于铁电畴翻转,导致BFMO薄膜的自发极化增强。Bi Fe0.96Mn0.04O3薄膜的剩余极化强度最大,可达到2Pr～312μC/cm~2,矫顽场为2Ec～628.34 k V/cm,漏电流密度降低至J～1.62×10-6A/cm~2。（2）在B位单掺杂Mn离子的基础上,（Zn,Mn）和（Mg,Mn）等量共同掺杂的Bi Fe1-2xZnxMnxO3（BFZMO）和Bi Fe1-2xMgxMnxO3（BFMMO-x）薄膜的结构及性能被研究。（a）（Zn,Mn）等量共同掺杂的BiFeO3薄膜由于Mn离子价态转变导致的氧空位含量降低及Zn离子缺陷配合物对氧空位的吸附作用,进一步降低氧空位的含量,使其漏电流密度降低至4.60×10-6A/cm~2,增强BFZMO薄膜本征极化。在掺杂含量为2%时,Bi Fe0.96Zn0.02Mn0.02O3薄膜剩余极化值最大为2Pr～413.2μC/cm~2。达到未掺杂BiFeO3薄膜的2倍。（b）（Mg,Mn）等量共同掺杂提高了BiFeO3晶胞中氧离子的稳定性,Fe O6的结构扭曲增大,同时晶界电阻减小,易于铁电畴翻转,从而提高了其铁电性能。Bi Fe0.92Mg0.04Mn0.04O3薄膜的漏电流密度为1.5×10-8A/cm~2,剩余极化值为429.6μC/cm~2,介电常数达到388.0,介电损耗为0.017。其潜在的机理可以用（Mg,Mn）掺杂引起的铁电畸变和偶极极化增加,以及局部位移界面通过偶极极化产生诱导偶极矩,增加介电色散来解释。此外,共掺杂可以降低BiFeO3薄膜的光学带隙,Eg～1.82 e V。（3）（Zr,Mn）等量共同掺杂的Bi Fe1-2xZrxMnxO3（BFZM）薄膜被制备。通过常用表征方法:XRD、SEM、Raman光谱和XPS对BFZr MO薄膜的晶体结构和微观结构进行了研究,表明所制备的BFZM-x样品均为纯钙钛矿结构,（Zr,Mn）离子均匀掺杂进入BiFeO3晶胞。该薄膜具有优越的铁电和介电性能2Pr～365.8μC/cm~2。这源于其良好的绝缘特性(100 k V/cm下,漏电流密度仅为3.4×10-9A/cm~2)以及离子半径不同造成的Fe O6的结构扭曲增大,电荷补偿作用产生的氧空位含量降低。
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