一种溶胶－凝胶法制备BiFe1‐xCrxO3 铁电薄膜的方法

摘要

本发明提供了一种溶胶－凝胶法制备BiFe1-xCrxO3铁电薄膜的方法，将硝酸铋、硝酸铁和硝酸铬按摩尔比1.05∶1-x∶x溶于乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的混合液中，磁力搅拌后得到金属离子浓度为0.003～0.3mol/L的稳定的BiFe1-xCrxO3前驱液，其中x=0.00～0.03，乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的体积比为14∶5∶1。采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂BiFe1-xCrxO3前驱液制备薄膜，采用层层退火工艺处理，得到晶态BiFe1-xCrxO3薄膜。本发明设备要求简单，实验条件容易达到，制备的薄膜均匀性较好，掺杂量容易控制，通过B位Cr掺杂，提高了BiFeO3薄膜的铁电性能。

说明书

技术领域

本发明属于功能材料领域，涉及在功能化的FTO/glass基板表面制备BiFe_1-xCr_xO₃薄膜的方法。 

背景技术

BiFeO₃具有铁电性和反铁磁性，并伴随弱的铁磁性，这极大的引起了人们研究兴趣。BiFeO₃具有扭曲的钙钛矿结构，室温下同时具有铁电有序(TC=810℃)和G型反铁磁有序(TN=380℃)，是少数几种单相多铁材料之一。BiFeO₃在信息存储、信息存储、图像显示等方面具有广泛的应用。但是，纯相BiFeO₃存在着大漏导的问题，导致他无法获得饱和的电滞回线和较高的剩余极化，从而大大的限制了它的实际应用。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种溶胶－凝胶法制备BiFe_1-xCr_xO₃薄膜的方法，该种方法能够制备出一种BiFe_0.98Cr_0.02O₃薄膜，以解决大漏导和剩余极化低的问题。 

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种溶胶－凝胶法制备BiFe_1-xCr_xO₃铁电薄膜的方法，包括以下步骤： 

步骤1：将Bi(NO₃)₃·5H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O和Cr(NO₃)₃·9H₂O按摩尔比1.05∶1-x∶x溶于乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的混合液中，磁力搅拌后得到金属离子浓度为0.003～0.3mol/L的稳定的BiFe_1-xCr_xO₃前驱液，其中x=0.00～0.03，乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的体积比为14∶5∶1。 

步骤2：采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂BiFe_1-xCr_xO₃前驱液制备薄膜，采用层层退火工艺处理，得到晶态BiFe_1-xCr_xO₃薄膜。 

本发明进一步的改进在于，步骤1中x=0.01、x=0.02或x=0.03。 

本发明进一步的改进在于，步骤1中搅拌时间为3h。 

本发明进一步的改进在于，步骤2中重复旋涂制备薄膜，层层退火工艺处理直到得到所期望厚度的薄膜。 

本发明进一步的改进在于，0＜x≤0.03。 

本发明进一步的改进在于，0＜x≤0.02。 

本发明进一步的改进在于，0＜x≤0.01。 

本发明进一步的改进在于，0.01≤x≤0.03。 

本发明进一步的改进在于，0.02≤x≤0.03。 

本发明进一步的改进在于，0.01≤x≤0.02。 

相对于现有技术，本发明具有以下优点： 

1.本发明方法选择Cr进行B位掺杂，Cr³⁺半径小于Fe³⁺，掺杂后，固熔进入晶格，可以使原本近似呈钙钛矿结构的铁酸铋晶格扭曲，结构畸变加剧，薄膜内电畴的翻转数量增加，从而提高薄膜的铁电性。 

2.目前用于制备BiFeO₃薄膜的方法有很多，如化学气相沉积法(CVD)、磁控溅射法(rf magnetron sputtering)、金属有机物沉积法(MOD)、金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)、液相沉积法（LPD）、分子束外延法(MBE)、脉冲激光沉积法(PLD)、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)等。相比其他方法，Sol-Gel方法由于设备简单，反应容易进行，反应温度较低，易操作，适宜在大的表面和形状不规则的表面上制备薄膜，易实现分子水平上的均匀掺杂，以及化学组分精确可控等优点而被广泛用来制备铁电材料。 

3.本发明中采用溶胶凝胶法制备BiFeO₃薄膜，通过B位Cr掺杂，在FTO 基板上制备出一种Cr掺杂的BiFe_0.98Cr_0.02O₃薄膜，其在1kHz频率，1181.8kV/cm的测试电场下测得的饱和极化强度为61.05μC/cm²，剩余极化强度为39.50μC/cm²，矫顽场为502.73kV/cm。 

4.本发明设备要求简单，实验条件容易达到，制备的薄膜均匀性较好，掺杂量可精确控制，并且通过Cr掺杂提高了薄膜的铁电性能。 

附图说明

图1是本发明制备的BiFe_0.98Cr_0.02O₃薄膜的XRD图； 

图2是本发明制备的BiFe_0.98Cr_0.02O₃薄膜的SEM图； 

图3是本发明制备的BiFe_0.98Cr_0.02O₃薄膜的电滞回线图。 

具体实施方式

实施例1 

步骤1：将Bi(NO₃)₃·5H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O和Cr(NO₃)₃·9H₂O按摩尔比1.05∶1.00∶0.00溶于乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的混合液中，磁力搅拌3h后得到金属离子浓度为O.003mol/L的稳定的BiFeO₃前驱液，其中乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的体积比为14∶5∶1。 

步骤2：采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂BiFeO₃前驱液制备薄膜，采用层层退火工艺处理，得到晶态BiFeO₃薄膜。 

步骤3：在晶态BiFeO₃薄膜表面离子溅射制备0.502mm²的Au电极，然后300℃保温20min进行电极退火处理。 

采用XRD测定BiFeO₃薄膜的物相组成结构，用FE-SEM测定BiFeO₃薄膜的微观形貌，用TF2000铁电测试系统测试BiFeO₃薄膜的铁电性能。在1kHz频率，454.5kV/cm的测试电场下测得的饱和极化强度为4.73μC/cm²，剩余极化强度为 0.86μC/cm²，矫顽场为77.71kV/cm。 

实施例2 

步骤1：将Bi(NO₃)₃·5H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O、和Cr(NO₃)₃·9H₂O按摩尔比1.05∶0.99∶0.01溶于乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的混合液中，磁力搅拌3h后得到金属离子浓度为0.3mol/L的稳定的BiFe_0.99Cr_0.01O₃前驱液，其中乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的体积比为14∶5∶1。 

步骤2：采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂BiFe_0.99Cr_0.01O₃前驱液制备薄膜，采用层层退火工艺处理，得到晶态Cr掺杂的BiFe_0.99Cr_0.01O₃薄膜。 

步骤3：在晶态BiFe_0.99Cr_0.01O₃薄膜表面离子溅射制备0.502mm²的Au电极，然后300℃保温20min进行电极退火处理。 

采用XRD测定BiFe_0.99Cr_0.01O₃薄膜的物相组成结构，用FE-SEM测定BiFe_0.99Cr_0.01O₃薄膜的微观形貌。用TF2000铁电测试系统测试BiFe_0.99Cr_0.01O₃薄膜的铁电性能，在1kHz频率，454.5kV/cm的测试电场下测得的饱和极化强度为7.92μC/cm²，剩余极化强度为5.59μC/cm²，矫顽场为519.60kV/cm。 

实施例3 

步骤1：将Bi(NO₃)₃·5H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O、和Cr(NO₃)₃·9H₂O按摩尔比1.05∶0.98∶0.02溶于乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的混合液中，磁力搅拌3h后得到金属离子浓度为0.1mol/L的稳定的BiFe_0.98Cr_0.02O₃前驱液，其中乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的体积比为14∶5∶1。 

步骤2：采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂BiFe_0.98Cr_0.02O₃前驱液制备薄膜，采用层层退火工艺处理，得到晶态Cr掺杂的BiFe_0.98Cr_0.02O₃薄膜。 

步骤3：在晶态BiFe_0.98Cr_0.02O₃薄膜表面离子溅射制备0.502mm²的Au电极， 然后300℃保温20min进行电极退火处理。 

参见图1所示，采用XRD测定BiFe_0.98Cr_0.02O₃薄膜的物相组成结构，参见图2所示，用FE-SEM测定BiFe_0.98Cr_0.02O₃薄膜的微观形貌。参见图3所示，用TF2000铁电测试系统测试BiFe_0.98Cr_0.02O₃薄膜的铁电性能，在1kHz频率，1181.8kV/cm的测试电场下测得的饱和极化强度为61.05μC/cm²，剩余极化强度为39.50μC/cm²，矫顽场为502.73kV/cm。 

实施例4 

步骤1：将Bi(NO₃)₃·5H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O、和Cr(NO₃)₃·9H₂O按摩尔比1.05∶0.97∶0.03溶于乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的混合液中，磁力搅拌3h后得到金属离子浓度为0.2mol/L的稳定的BiFe_0.97Cr_0.03O₃前驱液，其中乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的体积比为14∶5∶1。 

步骤2：采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂BiFe_0.97Cr_0.03O₃前驱液制备薄膜，采用层层退火工艺处理，得到晶态Cr掺杂的BiFe_0.97Cr_0.03O₃薄膜。 

步骤3：在晶态BiFe_0.97Cr_0.03O₃薄膜表面离子溅射制备0.502mm²的Au电极，然后300℃保温20min进行电极退火处理。 

采用XRD测定BiFe_0.97Cr_0.03O₃薄膜的物相组成结构，用FE-SEM测定BiFe_0.97Cr_0.03O₃薄膜的微观形貌，用TF2000铁电测试系统测试BiFe_0.97Cr_0.03O₃薄膜的铁电性能。在1kHz频率，1181.8kV/cm的测试电场下测得的饱和极化强度为50.79μC/cm²，剩余极化强度为33.06μC/cm²，矫顽场为519.60kV/cm。 

以上所述内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。