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磁电多铁材料是一类同时具有自发极化和磁化的材料,其电序和磁序的耦合还能产生新的效应——磁电耦合效应,为新型功能材料器件的设计提供了多种自由度的同时,还使得电场(或磁场)调控磁(或电)成为可能。因此,它在电子传感,信息存储和读取,能量转换等诸多领域具有广阔的应用前景。室温磁电多铁材料非常少,铁酸铋(BiFeO3,BFO)及其掺杂体系,是目前发现的唯一在室温下就同时具有铁电性和反铁磁性的单相多铁材料。纯相且缺陷少的铁酸铋较难制备,漏导电流较大,是限制铁酸铋应用的主要障碍之一。另一方面,弱的宏观磁性也大大限制了其在实际中的应用,提高其磁性能仍然是一个具有挑战性的工作。论文采用掺杂改性的方式,选取能容易实现掺杂和精确控制化学计量比的溶胶-凝胶法作为铁酸铋薄膜的制备方法,对铁酸铋薄膜电性能和磁性能的改善进行了探索研究。本论文的主要工作如下:
(1)根据铁酸铋自身结构要求,从优化其电磁性能角度考虑,采用一种简便掺杂元素选择方法,筛选出了较有可能通过掺杂来改善铁酸铋性能的元素及其对应的掺杂取代位置。结果表明部分稀土元素适合A位掺杂,部分过渡金属元素适合B位掺杂。
(2)运用溶胶-凝胶法,比较了不同前驱液,不同衬底,不同退火温度对铁酸铋薄膜成相及结构形态的影响,并制备出了纯相的铁酸铋薄膜,得到了较佳的备工艺。
(3)根据材料设计得到的掺杂元素,结合文献报道,选择能有效改善铁酸铋电性能的稀土元素La进行A位掺杂,选择能有效增强铁酸铋磁性能的过渡族元素Co进行B位掺杂,用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO2/Si上制备出一系列铁酸铋薄膜,并比较了不同掺杂情形下薄膜的结构形貌,铁电性,介电性,直流电导性能,磁性能等性能。实验结果表明,适量的La-Co共掺,可以有效地调制铁酸铋的晶体结构,使其由常见的菱形结构转变为四方或正交结构;明显地减小铁酸铋薄膜在高场下的漏导电流,显著地提高铁酸铋的铁电极化,减小矫顽力;有效地提高铁酸铋薄膜的磁性能;在低介电损耗下提高其介电常数。
(4)对不同La,Co掺杂BiFeO3薄膜的电导行为和电导机制进行了实验测量和分析研究。其结果表明:在低电场下,薄膜呈现欧姆电导机制;在高电场下,纯的和掺La的铁酸铋薄膜显示出陷阱限制电导和普尔-弗仑克尔机制,掺Co铁酸铋薄膜则显示出肖特基电导机制。La掺杂减小铁酸铋薄膜的漏导是因为La的掺杂有利于减小缺陷浓度和抑制杂相的形成。而La-Co共掺明显减小铁酸铋薄膜的高场电导是因为高场电导机制不同引起的。