專利名稱：一種溶膠－凝膠法制備BiFe_1‐xCr_xO₃ 鐵電薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能材料領(lǐng)域,涉及在功能化的FTO/glass基板表面制備BiFehCrxO3薄膜的方法。
背景技術(shù)：
BiFeO3具有鐵電性和反鐵磁性，并伴隨弱的鐵磁性，這極大的引起了人們研究興趣。BiFeO3具有扭曲的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，室溫下同時(shí)具有鐵電有序(TC=810°C )和G型反鐵磁有序(TN=380°C )，是少數(shù)幾種單相多鐵材料之一。BiFeO3在信息存儲(chǔ)、信息存儲(chǔ)、圖像顯示等方面具有廣泛的應(yīng)用。但是，純相BiFeO3存在著大漏導(dǎo)的問題，導(dǎo)致他無法獲得飽和的電滯回線和較高的剩余極化，從而大大的限制了它的實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種溶膠一凝膠法制備BiFehCrxO3薄膜的方法，該種方法能夠制備出一種BiFea98Craci2O3薄膜，以解決大漏導(dǎo)和剩余極化低的問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種溶膠一凝膠法制備BiFehCrxO3鐵電薄膜的方法，包括以下步驟:步驟1:將 Bi(NO3)3.5H20、Fe (NO3) 3.9H20 和 Cr (NO3) 3.9H20 按摩爾比
1.05: 1-χ: χ溶于乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的混合液中，磁力攪拌后得到金屬離子濃度為0.003 0.3mol/L的穩(wěn)定的BiFe1^xCrxO3前驅(qū)液，其中x=0.00 ~ 0.03,乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的體積比為 14: 5:1。步驟2:采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂BiFei_xCrx03前驅(qū)液制備薄膜，采用層層退火工藝處理，得到晶態(tài)BiFehCrxO3薄膜。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟I中χ=0.0Ux=0.02或χ=0.03。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟I中攪拌時(shí)間為3h。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟2中重復(fù)旋涂制備薄膜，層層退火工藝處理直到得到所期望厚度的薄膜。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于,0 < χ < 0.03。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，O < χ ^ 0.02。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，O < χ彡0.01。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，0.01 < χ < 0.03。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，0.02 < χ < 0.03。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，0.01 ^ χ ^ 0.02。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):1.本發(fā)明方法選擇Cr進(jìn)行B位摻雜，Cr3+半徑小于Fe3+，摻雜后，固熔進(jìn)入晶格，可以使原本近似呈鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵酸鉍晶格扭曲，結(jié)構(gòu)畸變加劇，薄膜內(nèi)電疇的翻轉(zhuǎn)數(shù)量增加，從而提高薄膜的鐵電性。
2.目前用于制備BiFeO3薄膜的方法有很多，如化學(xué)氣相沉積法(CVD)、磁控濺射法(rf magnetron sputtering)、金屬有機(jī)物沉積法(MOD)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)、液相沉積法(LPD)、分子束外延法(MBE)、脈沖激光沉積法(PLD)、溶膠-凝膠法(Sol-Gel)等。相比其他方法，Sol-Gel方法由于設(shè)備簡單，反應(yīng)容易進(jìn)行，反應(yīng)溫度較低，易操作，適宜在大的表面和形狀不規(guī)則的表面上制備薄膜，易實(shí)現(xiàn)分子水平上的均勻摻雜，以及化學(xué)組分精確可控等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用來制備鐵電材料。3.本發(fā)明中采用溶膠凝膠法制備BiFeO3薄膜，通過B位Cr摻雜，在FTO基板上制備出一種Cr摻雜的BiFea98Cratl2O3薄膜，其在IkHz頻率，1181.8kV/cm的測試電場下測得的飽和極化強(qiáng)度為61.05 μ C/cm2，剩余極化強(qiáng)度為39.50 μ C/cm2，矯頑場為502.73kV/cm。4.本發(fā)明設(shè)備要求簡單，實(shí)驗(yàn)條件容易達(dá)到，制備的薄膜均勻性較好，摻雜量可精確控制，并且通過Cr摻雜提高了薄膜的鐵電性能。


圖1是本發(fā)明制備的BiFea98Cratl2O3薄膜的XRD圖；圖2是本發(fā)明制備的BiFea98Cratl2O3薄膜的SEM圖；圖3是本發(fā)明制備的BiFea98Cratl2O3薄膜的電滯回線圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1步驟1:將 Bi(NO3)3.5H20、Fe (NO3) 3.9H20 和 Cr (NO3) 3.9H20 按摩爾比
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，磁力攪拌3h后得到金屬離子濃度為0.003mol/L的穩(wěn)定的BiFeO3前驅(qū)液，其中乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的體積比為14: 5:1。步驟2:采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂BiFeO3前驅(qū)液制備薄膜，采用層層退火工藝處理，得到晶態(tài)BiFeO3薄膜。步驟3:在晶態(tài)BiFeO3薄膜表面離子濺射制備0.502mm2的Au電極，然后300°C保溫20min進(jìn)行電極退火處理。采用XRD測定BiFeO3薄膜的物相組成結(jié)構(gòu)，用FE-SEM測定BiFeO3薄膜的微觀形貌，用TF2000鐵電測試系統(tǒng)測試BiFeO3薄膜的鐵電性能。在IkHz頻率，454.5kV/cm的測試電場下測得的飽和極化強(qiáng)度為4.73μ C/cm2，剩余極化強(qiáng)度為0.86 μ C/cm2，矯頑場為77.71kV/cm。實(shí)施例2步驟1:將 Bi(NO3)3.5H20、Fe (NO3) 3.9H20、和 Cr (NO3) 3.9H20 按摩爾比
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，磁力攪拌3h后得到金屬離子濃度為0.3mol/L的穩(wěn)定的BiFea99CratllO3前驅(qū)液，其中乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的體積比為14: 5:1。步驟2:采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂BiFea99CratllO3前驅(qū)液制備薄膜，采用層層退火工藝處理，得到晶態(tài)Cr摻雜的BiFea99CratllO3薄膜。步驟3:在晶態(tài)BiFea99CratllO3薄膜表面離子濺射制備0.502mm2的Au電極，然后300°C保溫20min進(jìn)行電極退火處理。采用XRD測定BiFea99CratllO3薄膜的物相組成結(jié)構(gòu)，用FE-SEM測定BiFea99CratllO3薄膜的微觀形貌。用TF2000鐵電測試系統(tǒng)測試BiFea99CratllO3薄膜的鐵電性能，在IkHz頻率，454.5kV/cm的測試電場下測得的飽和極化強(qiáng)度為7.92 μ C/cm2，剩余極化強(qiáng)度為
5.59 μ C/cm2，矯頑場為 519.60kV/cm。實(shí)施例3步驟1:將 Bi(NO3)3.5H20、Fe (NO3) 3.9H20、和 Cr (NO3) 3.9H20 按摩爾比
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，磁力攪拌3h后得到金屬離子濃度為0.lmol/L的穩(wěn)定的BiFea98Cratl2O3前驅(qū)液，其中乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的體積比為14: 5:1。步驟2:采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂BiFea98Cratl2O3前驅(qū)液制備薄膜，采用層層退火工藝處理，得到晶態(tài)Cr摻雜的BiFea98Cratl2O3薄膜。步驟3:在晶態(tài)BiFea98Cratl2O3薄膜表面離子濺射制備0.502mm2的Au電極，然后300°C保溫20min進(jìn)行電極退火處理。參見圖1所示,采用XRD測定BiFea98Craci2O3薄膜的物相組成結(jié)構(gòu),參見圖2所示，用FE-SEM測定BiFea98Cratl2O3薄膜的微觀形貌。參見圖3所示，用TF2000鐵電測試系統(tǒng)測試BiFea98Cratl2O3薄膜的鐵電性能，在IkHz頻率，1181.8kV/cm的測試電場下測得的飽和極化強(qiáng)度為61.05 μ C/cm2，剩余極化強(qiáng)度為39.50 μ C/cm2，矯頑場為502.73kV/cm。實(shí)施例4步驟1:將 Bi(NO3)3.5H20、Fe (NO3) 3.9H20、和 Cr (NO3) 3.9H20 按摩爾比
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，磁力攪拌3h后得到金屬離子濃度為0.2mol/L的穩(wěn)定的BiFea97Cratl3O3前驅(qū)液，其中乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的體積比為14: 5:1。步驟2:采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂BiFea97Cratl3O3前驅(qū)液制備薄膜，采用層層退火工藝處理，得到晶態(tài)Cr摻雜的BiFea97Cratl3O3薄膜。步驟3:在晶態(tài)BiFea97Cratl3O3薄膜表面離子濺射制備0.502mm2的Au電極，然后300°C保溫20min進(jìn)行電極退火處理。采用XRD測定BiFea97Cratl3O3薄膜的物相組成結(jié)構(gòu)，用FE-SEM測定BiFea97Cratl3O3薄膜的微觀形貌，用TF2000鐵電測試系統(tǒng)測試BiFea97Cratl3O3薄膜的鐵電性能。在IkHz頻率，1181.8kV/cm的測試電場下測得的飽和極化強(qiáng)度為50.79 μ C/cm2,剩余極化強(qiáng)度為33.06 μ C/cm2，矯頑場為 519.60kV/cm。

以上所述內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不是全部或唯一的實(shí)施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種溶膠一凝膠法制備BiFehCrxO3鐵電薄膜的方法，其特征在于，包括以下步驟:步驟 1:將 Bi (NO3)3 AH2CKFe (NO3) 3.9Η20 和 Cr (NO3) 3.9Η20 按摩爾比 1.05: 1-χ: χ溶于乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的混合液中，磁力攪拌后得到金屬離子濃度為0.003 0.3mol/L的穩(wěn)定的BiFehxCrxO3前驅(qū)液,其中x=0.00 0.03,乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的體積比為14: 5:1 ; 步驟2:采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂BiFei_xCrx03前驅(qū)液制備薄膜，采用層層退火工藝處理，得到晶態(tài)BiFei_xCrx03薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溶膠一凝膠法制備BiFehCrxO3鐵電薄膜的方法，其特征在于，步驟 1 中 x=0.0Ux=0.02 或 x=0.03。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溶膠一凝膠法制備BiFehCrxO3鐵電薄膜的方法，其特征在于，步驟I中攪拌時(shí)間為3h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溶膠一凝膠法制備BiFehCrxO3鐵電薄膜的方法，其特征在于，步驟2中重復(fù)旋涂制備薄膜，層層退火工藝處理直到得到所期望厚度的薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溶膠一凝膠法制備BiFehCrxO3鐵電薄膜的方法，其特征在于，O < χ≤0.03。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溶膠一凝膠法制備BiFehCrxO3鐵電薄膜的方法，其特征在于，O < χ≤0.02。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溶膠一凝膠法制備BiFehCrxO3鐵電薄膜的方法，其特征在于，O < χ≤0.01。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溶膠一凝膠法制備BiFelxCrxO3鐵電薄膜的方法，其特征在于，0.01≤χ≤0.03。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溶膠一凝膠法制備BiFehCrxO3鐵電薄膜的方法，其特征在于，0.02≤χ≤0.03。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溶膠一凝膠法制備BiFehCrxO3鐵電薄膜的方法，其特征在于，0.01 ≤ χ≤ 0.02。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種溶膠－凝膠法制備BiFe1-xCrxO3鐵電薄膜的方法，將硝酸鉍、硝酸鐵和硝酸鉻按摩爾比1.05∶1-x∶x溶于乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的混合液中，磁力攪拌后得到金屬離子濃度為0.003～0.3mol/L的穩(wěn)定的BiFe1-xCrxO3前驅(qū)液，其中x=0.00～0.03，乙二醇甲醚、醋酸酐和乙醇胺的體積比為14∶5∶1。采用旋涂法在FTO/glass基片上旋涂BiFe1-xCrxO3前驅(qū)液制備薄膜，采用層層退火工藝處理，得到晶態(tài)BiFe1-xCrxO3薄膜。本發(fā)明設(shè)備要求簡單，實(shí)驗(yàn)條件容易達(dá)到，制備的薄膜均勻性較好，摻雜量容易控制，通過B位Cr摻雜，提高了BiFeO3薄膜的鐵電性能。
文檔編號(hào)C04B35/42GK103121836SQ201210498900
公開日2013年5月29日 申請日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28日
發(fā)明者談國強(qiáng), 劉文龍 申請人:陜西科技大學(xué)