强磁场烧结对BiFeO3基薄膜微结构及漏电性能调控的研究

A novel structure and properties can be obtained with preparing materials in a high magnetic field, comparing with the normal synthesis methods. We have investigated the magnetic annealing effects on properties of the BiFeO3 thin films derived by chemical solution deposition (CSD) method within normal magnetic filed (0-1T). From the results, it can be found that magnetic annealing can improve the qualities of the microstructure and enhanced leakage of the films. Based on such works, the CSD derived precursor and crystallized BFO thin films will be annealing and reannealing in the different high magnetic fields, respectively. From the analyses in changes of the grain size and microstructures, the effects of the high magnetic annealing on the grain growth and nucleation will be investigated. Based on the measured and fitting results of the IV curves, and the dielectric, magnetic ferroelectric and multiferroic properties, the high magnetic annealing effects on the microstructure and leakage of the Gd, Mn and Sm2O3 doped BFO thin films prepared by CSD method will be carried out. Finally, the connections between the high magnetic annealing, microstructures and leakage properties of the BFO-based films will be molded. Try our best to recover the reason of the high magnetic annealing effects on leakage and other properties of the BFO based thin films, and give some evidences on experiments and theory of improved magnetoelectric properties.

强磁场下合成材料可获得其它常规方法难以获得的材料微结构与性能。我们前期低磁场(<1T)烧结BiFeO3(BFO)前驱薄膜的研究观察到，磁场烧结可以有效调控BFO薄膜的微结构及漏电流等性能。本项目将在前期工作基础上，采用化学溶液法制备BFO基薄膜，通过在强磁场（1-10T）下对未晶化和已晶化薄膜的烧结，实现对薄膜形核和长大以及漏电流的调控。拟选取BFO、Bi1-xGdxFeO3、BiFe1-xMnxO3及第二相Sm2O3掺杂的BFO薄膜为研究对象，研究强磁场烧结时，磁场强度、方向等参数对上述薄膜微结构和漏电特性的影响。通过IV测试、拟合漏电流曲线，并结合磁性、铁电性能、磁介电等性能测试结果，建立强磁场烧结-掺杂-微结构-漏电流特性等的关联；揭示强磁场烧结对漏电流特性进而对磁、电性能的影响机制，为提高BFO基薄膜的磁电性能提供实验和理论依据。

BiFeO3(BFO)薄膜具有迄今为止最大的室温电极化强度。化学溶液沉积法(CSD)作为制备薄膜的一种常用方法，近十年来被广泛用于BFO薄膜的制备。但因制备的薄膜中由于Fe粒子的化合价的变价导致大量氧空位的存在，致使薄膜具有较大的漏电流。调控薄膜的氧空位，可以优化薄膜的相关性能。而降低氧空位，优化相关性能的最有效方式之一，是减少薄膜中Fe2+离子的含量。我们通过详细研究零磁场下CSD制备的BFO薄膜的生长热、动力学过程。认识到薄膜以自受限的方式生长。薄膜的漏电流密度、电极化强度、氧空位浓度随烧结温度、时间的增加而增大。观察到薄膜单极阻变行与薄膜中的氧空位浓度，电极化强度和矫顽电场相关。通过不同温度、不同强磁场下制备的BFO薄膜微结构和相关性能的研究。认识到磁场能够促进薄膜的晶粒生长，但在高温烧结条件下，磁场的促进作用不明显。BFO薄膜中的Fe2+离子在磁场环境下趋向于Fe3+, 减少了氧空位，降低薄膜漏电流。薄膜电极化强度随磁场强度的增加先增大，再降低。但与零磁场下制备的BFO薄膜相比，强磁场下制备的薄膜仍具有更高的电极化强度。薄膜的矫顽电场随磁场的强度的增加而降低。对于场下制备磁性、非磁性离子掺杂BFO薄膜微结构和性能的研究结果表明磁场促进非磁性离子掺杂薄膜的，但降低了磁性离子掺杂薄膜的(001)取向度。但所有薄膜漏电性能都得到了改善，矫顽电场有所降低。总的说来，强磁场下制备BFO基薄膜，提供了一种既能增加薄膜晶粒尺寸，又同时降低薄膜漏电流，矫顽电场，提高薄膜电极化强度的方式。合成过程中磁性离子的价态趋于高磁矩态。为强磁场下氧化物的制备研究提供了一定的实验结果。研究结果在国际学术刊物上发表论文7篇(其中Acta Materialia, Journal of Materials Chemistry C上各1篇，Journal of Appllied Physics上2篇)；申请中国发明专利1项。培养博士研究生2人，其中毕业1人；硕士研究生4人，其中毕业1人。