B位Co掺杂对BiFeO3薄膜性能影响的研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

存储器、换能器、传感器和微电子机械系统等高新电子产业的迅速发展,不仅仅带给人类更美好的科技体验,也对材料提出了更高的要求。多铁材料由于其同时具有铁电性和磁性从而在存储器、传感器以及自旋电子器件等方面有着潜在的应用前景引起了人们极大的关注。电场会诱导产生磁场同时磁场也可以诱发电极化,这种性质被称为磁电效应。早在1894年P·居里就利用对称性的理论预测自然界中存在磁电效应。

BiFeO3(BFO)是三角扭曲的钙钛矿结构,在室温下同时具有铁电有序(Tc=1103K)和G型反铁磁有序(Tn=643K),在所有ABO3型多铁性材料中表现突出。作为一种典型的铁电材料,BFO还具有较大的剩余极化强度、相对较小的带隙宽度以及较大的光吸收系数,理论上具有较大的光电转换效率,有望成为下一代太阳能光伏电池的备选材料。

目前美国北卡罗来纳州立大学的研究人员,首次将BFO材料作为一个单晶体集成到一个硅片上,向制造新一代多功能智能设备迈出了关键一步。国内硅基太阳能电池的发电功率以及转化效率已经达到瓶颈,而BFO薄膜配合电极使用具有硅基电池相似的器件结构,目前正在研究如何让其具有更高的转换效率,以促进新能源的发展。

而BFO薄膜与块体相比有独特而优异的性能,室温下BFO薄膜的自发极化比块体大接近一个数量级,可达到50~60 μC/cm2,由薄膜制成的微电子器件也因此具有体积小、耗电少、易于集成等优点。然而一方面,BFO薄膜材料在制备的过程中由于氧空位的移动容易使铁离子价态发生波动(Fe3 -Fe2 ),铁价态的波动会带来大的电导,所以BFO薄膜一般都具有较大的漏电流;另一方面,BFO薄膜本身的介电常数和电阻率都较低,所以在纯的BFO薄膜材料中很难得到饱和的电滞回线。近年来,随着材料制备技术的快速发展,铁电薄膜的制备工艺也日渐成熟,不管用物理方法还是化学方法制备出的薄膜质量都有了很大的提高,薄膜制备技术的进步极大地减少了漏电流而获得了强的铁电性。

相关研究表明,离子掺杂是较为有效降低BFO薄膜漏电流的方式。镧系元素(如La、Pr、Nd、Sm、Gd等)掺杂取代Bi位,可以有效抑制Bi的挥发,抑制氧空位的形成,同时La系元素与Bi的离子半径的差异,可以增加晶格的畸变程度,在一定程度上提高BFO薄膜的极化强度。

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