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摘 要

近年来，铁酸铋（BiFeO₃）成为了研究人员的研究重点，因其所具有的非常好的电学、磁学性质，不含铅，对环境无污染等优秀的特点。铁酸铋是一种典型的钙钛矿型多铁性材料，常温下晶体结构沿体对角线拉伸而偏离了理想的钙钛矿的晶体结构，在常温条件下表现出铁电有序（Tc=1103K）和反铁磁有序（T_N=643K）的性质，在信息存储和各种微电子元器件等方面有着极大地研究与应用价值，但由于存在严重的漏电问题，成为限制铁酸铋发展的瓶颈。

为了抑制漏电流，提升铁酸铋的铁电性能，本文采用溶胶-凝胶法，在Pt（111）/Ti/SiO₂/Si（100）衬底上制备了掺杂Gd的Bi_0.95Gd_0.05FeO₃（BGFO）薄膜，使用XRD、SEM、铁电综合测试仪、阻抗分析仪等实验仪器，对BFO薄膜的晶体结构、表观样貌各种电学性能进行了表征。

研究结果表明：纯相的BFO薄膜结晶性能较差，表面颗粒分布不均且有较大空洞，而Gd掺杂的BGFO薄膜拥有较好的结晶性能，表明颗粒的尺寸及分布都很均匀；纯相BFO薄膜具有较大的漏电流，但其剩余极化和介电常数较小；引入Gd掺杂后的BGFO薄膜的电学性质有了较大的提升，剩余极化和介电常数有了明显的提升，且漏电流获得了抑制。

关键词：铁酸铋 铁磁性质 铁电性能 薄膜 溶胶-凝胶法

Study on Doped with Multi - iron Properties of BiFeO3 Films

ABSTRACT

In recent years, BiFeO₃ has become the research focus of the researchers, because of its very good electrical, magnetic properties, no lead, no pollution to the environment and other excellent features. Bismuth ferrite is a typical perovskite-type ferrous material, crystal structure at room temperature along the diagonal diagonal deviation from the ideal perovskite crystal structure. The ferroelectric order (TC=1103k) and anti-ferromagnetic order (TN=643k) both existed at room temperature,in the information storage and a variety of microelectronics components and so has a great research and application value, but because of the existence of serious leakage problems, become a bottleneck restricting the development of BiFeO₃.

In this paper, in order to reduce the leakage current and enhance the ferroelectric properties, Gd doping Bi_0.95Gd_0.05FeO₃ (BGFO) thin films were deposited on the Pt(111)/Ti/SiO2/Si (100) substrates by the sol-gel method. The crystalline structure, morphology, ferroelectric properties, dielectric properties and the leakage current characteristics of the BFO films were characterized using XRD, scanning electron microscope(SEM), integrated ferroelectric tester, dielectric spectrometer and etc.

The results show that: the pure phase BFO film has poor crystallinity, surface particles are unevenly distributed and have larger voids, and Gd-doping BGFO films have good crystallinity, indicating that the size and distribution of particles are very uniform; pure phase BFO film has a large leakage current, but its residual polarization and dielectric constant is small; the electrical properties of BGFO thin films doped with Gd have been greatly improved, and the remnant polarization and dielectric constant have been improved obviously, and the leakage current is suppressed.

KEYWORDS: bismuth ferrite; ferromagnetic properties; ferroelectric properties; thin film; sol-gel

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 多铁性材料的研究背景 1

1.1.1 铁电性 1

1.1.2 居里-外斯定律 2

1.1.3 铁磁性 3

1.2 多铁材料 BiFeO₃的晶体结构及其特性 4

1.2.1 BiFeO₃材料的研究背景 4

1.2.2 BiFeO₃的晶体结构及其特性 4

1.2.3 铁电薄膜的制备工艺 5

1.3 BiFeO₃的研究进展 6

1.3.1 BiFeO₃陶瓷的研究进展 8

1.3.2 BiFeO₃薄膜的研究进展 9

1.4 本课题的研究内容 10

第二章 实验部分 11

2.1 实验原料与设备 11

2.2 BiFeO₃薄膜的制备流程 11

2.3 BiFeO₃薄膜的表征方法 12

2.3.1 X射线衍射 12

2.3.2 扫描电子显微镜（SEM） 14

2.3.3 铁电性能表征 15

2.3.4介电性能表征 16

第三章 结果及讨论 17

3.1 XRD分析 17

3.2 SEM分析 17

3.3 铁电特性 18

3.4 漏电特性 19

3.5 介电特性 20

第四章 总结与展望 22

4.1 总结 22

4.2 展望 22

参考文献 24

致谢 28

第一章 绪论

1970 年，Aizull 根据铁弹性、铁电性、铁磁性三种性质具有一系列的相似之处，提出了多铁性材料的概念，后来多铁性材料（multiferroic）一词就常用来指同时具备两种或两种以上初级“铁”性的材料，如铁电性、反铁磁性等^[1]。目前国内外研究最多的是铁电性和铁磁性共存的铁磁电材料（ferromagnetoelectric），铁磁电材料所表现出的磁电效应引起了科研工作者的极大关注^[2]。

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