镍掺杂铁酸铋薄膜的电磁性能研究_刘开通 (1)

LIU Kai-tong1，2 ，LI Jin1 ，WANG Lei2，3 ，JIAN Ji-kang1 ，XU Fang-long2，3 ，SUN Yan-fei1
（ 1． Department of Physics，Xinjiang University，Urumqi 830046，China； 2． Xinjiang Key Laboratory of Electronic Information Materials and Devices，Xinjiang Technical Institute of Physics ＆ Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China；
铁电薄膜电容器的传导机制一直被很多研究者所关注［17］。为了进一步研究样品的传导机制，对图 3
（ a） 漏电流随电场变化图的坐标轴做双对数处理，具体结果如图 3（ b） 所示。可以看出，两条曲线都满足空 间电荷限制电流（ SCLC） 传导机制［18，19］。在低电场区域（ 对于纯相 BiFeO3 大约 3 ～ 40 kV / cm，对于镍掺杂 BiFeO3 大约 3 ～ 15 kV / cm） ，两个样品都遵从 Ohmic 传导（ J∝Eα，α ～ 1） ，J 是电极阴极注入到薄膜中的电子 迅速被导带传送出去而形成的漂移电流［10］。在增大电场时，更多的电子的注入导致了空间电荷的不平衡，
液浓度、薄膜层数及退火条件都相同，所以纯相和镍掺杂铁酸铋薄膜的厚度是相同的。
3． 2 薄膜漏电性能分析
图 3（ a） 是样品的漏电流密度随电场的变化图。可以看出，在低电场下（ 小于 74 kV / cm） ，纯相铁酸铋较镍掺 杂铁酸铋的漏电流小，Kawae 等［9］的报道中也出现了类似的结果。在高电场下（ 大于 74 kV / cm） ，纯相铁酸铋有较 大的漏电流。铁酸铋的漏电流主要是由薄膜中 Fe2 + 和 Fe3 + 的价态变化产生氧空位引起的［16］。掺杂后，为了维持 电荷的平衡 Ni2 + 会抑制 Fe3 + 向 Fe2 + 的转化，从而降低了氧空位的浓度，所以在高电场下降低了漏电流。
图 3 样品的漏电流密度（ J） 随电场（ E） 的变化曲线图 （ a） 半对数； （ b） 全对数曲线 Fig． 3 J-E characteristics of BFO and BFNO films on ITO / glass substrates measured at ＲT
（ a） semilogarithmic； （ b） logarithmic plots
样品结构通过 XＲD（ Bruker D8 Advance） 测试确定； 样品的形貌和截面图分别由 AFM（ NT-MDT Solver P47） 和 SEM（ Hitachi SU9000） 测得； 漏电流性质由数字源表（ Keithley 2410 Meter） 测得； 介电性能通过阻抗分析仪（ Agilent E4980A Inc） 测得； 电滞回线由铁电测试仪（ Precision LC） 测得； 磁滞回线通过 VSM （ Lake Shore 7410） 测得。
了铁酸铋的晶格结构，发生了从菱方结构到四方结构 相变［13］。（ 012） 峰强在镍掺杂后减弱，说明镍的掺入
使铁酸铋结晶性减弱，晶粒尺寸减小。
图 2（ a） 和（ b） 分别是纯相和镍掺杂铁酸铋的 AFM 照片。从图中可以看出，纯相铁酸铋颗粒较大， 镍掺杂后颗粒尺寸明显减小，这和 XＲD 的测试结果相
传导机制服从修正的 Child 定律传导（ J∝Eα，α ＞ 1） 。随后斜率突然增大，说明深的俘获能级被填满，这个区
域被称为 Trap-Filled-Limited （ TFL） 区域。根据空间电荷限制传导的 Lampert 理论［18］，过渡电压 Vc （ Ohmic
传导到 Child 定律传导） 和 VTFL（ 修正的 Child 定律传导到 TFL 传导） 的表达式如下：
3 结果与讨论
3． 1 薄膜结构及表面形貌分析
图 1 为纯相和镍掺杂铁酸铋的 XＲD 图谱。图中
最底层的是 ITO 衬底峰。纯相铁酸铋为扭曲的钙钛矿
结构，空间群为 Ｒ3c。纯相铁酸铋的（ 104） 和（ 110） 峰
明显分离，但在镍掺杂后，（ 110） 峰强增强，（ 104） 峰强
变弱，并且两峰的分离程度减弱，可见镍的掺杂，改变
在溶胶-凝胶法制备铁酸铋薄膜的过程中，因为 Bi 的挥发温度要在 700 ℃ 以上［10］，而薄膜的晶化温度不 高于 550 ℃ ，这样的温度还不足以引起 Bi 原子的挥发，由此可以排除 Bi 空位的影响，可见氧空位是引起铁 酸铋漏电流的主要因素。因此对铁酸铋进行 Fe 等过渡族金属掺杂［11］或过渡族金属与其它金属共掺杂［12］ 在新型的电磁材料方面越来越受到人们的关注。本文采用溶胶-凝胶法在 ITO / 玻璃衬底上制备了纯相和过 渡族金属镍掺杂的铁酸铋薄膜，并对其电学和磁学性质进行了研究。
收稿日期： 2013-04-01； 修订日期： 2013-07-20 基金项目： 新疆维吾尔自治区自然科学基金面上项目（ 2012211A010） ； 新疆维吾尔自治区青年科学基金（ 2011211B49） ； “百人计划”基金；
西部之光基金项目（ Y12S311301） ； 乌鲁木齐市科技计划项目（ K121410007） 作者简介： 刘开通（ 1984-） ，男，河南省人，硕士。E-mail： jooker456@ sina． com 通讯作者： 李 锦，副教授。E-mail： xjlijin@ 163． com
1引 言
铁酸铋在室温下具有共存的铁电性和铁磁性，因此，近年来在数据存储、自旋阀、自旋电子和传感器方面 都有潜在的应 用［1-4］。但 铁 酸 铋 自 身 的 缺 陷 较 多 造 成 其 漏 电 流 较 大，使 其 在 实 际 器 件 中 的 应 用 受 到 阻 碍［5，6］。导致铁酸铋漏电流的机制有两种： 一种是氧化态下 Fe 的变价（ Fe3 + →Fe2 + ） ，为了补偿其电荷平衡
2实 验
在 ITO / 玻璃衬底上利用传统的溶胶-凝胶工艺制备纯相铁酸铋和镍掺杂铁酸铋薄膜。将通过化学计量比 称量的硝酸铋（ Bi（ NO3 ） 3 ·5H2 O） ，硝酸铁（ Fe（ NO3 ） 3 ·9H2 O） 和乙酸镍（ C4 H6 NiO4 ·4H2 O） 溶解到冰乙酸中并 在 80 ℃ 下连续搅拌 30 min，然后在室温条件下加入乙二醇甲醚并继续搅拌 180 min。利用旋涂法在 3000 r / min 的转速下匀胶 20 s 沉积薄膜，得到的湿膜首先在 350 ℃ 下预退火 5 min，然后在空气气氛中 550 ℃ 下退火 30 min。重复上述步骤数次得到期望的厚度。
摘要： 利用溶胶-凝胶工艺在 ITO / 玻璃衬底上制备了纯相铁酸铋 （ BiFeO3 ，BFO） 和镍掺杂铁酸铋（ BiFe0． 9 Ni0． 1 O3 ，
BFNO） 薄膜。X-射线衍射（ XＲD） 测试表明纯相和镍掺杂铁酸铋分别为扭曲钙钛矿结构和四方相结构，具有不同的
空间对称性。镍掺杂后（ 012） 衍射峰宽化，峰强变弱，说明晶粒变小，并由原子力显微镜（ AFM） 测试得到验证。镍
掺杂铁酸铋具有更大的介电常数和较小的漏电流。铁电测试仪和振动样品磁强计（ VSM） 测试结果表明镍的掺入
可以进一步提高铁酸铋的室温铁电性和铁磁性。
关键词： 铁酸铋； 镍掺杂； 介电； 漏电流
中图分类号： O469
文献标识码： A
文章编号： 1000-985X（ 2013） 09-1842-06
Study on Electric and Magnetic Properties of Ni-doped BiFeO3 Films
1844
人工晶体学报
第 42 卷
图 2 （ a） 和（ b） 分别为纯相和镍掺杂 BiFeO3 的表面 AFM 照片，（ c） 为纯相 BiFeO3 的截面 SEM 照片 Fig． 2 AFM images of pure（ a） and Ni-doped BiFeO3 （ b） ，SEM image of cross section of the pure BiFeO3 （ c）
3． University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China） （ Ｒeceived 1 April 2013，accepted 20 July 2013）
Abstract： Pure BiFeO3 and Ni-doped BiFeO3 thin films were fabricated on indium tin oxide（ ITO） / glass substrates by sol-gel process． XＲD analysis indicated that the pure BiFeO3 and Ni-doped BiFeO3 thin films presented single rhombohedral and tetragonal structure with different space symmetry． The （ 012） diffraction peak became weak and broaden with Ni doped，which indicated the grains size became small were confirmed by atom force microscope（ AFM） ． The dielectric constant increased and leakage current decreased with Ni doped． Ferroelectric tester and vibrating sample magnetometer （ VSM） showed the room-temperature ferroelectricity and ferromagnetism was enhanced with Ni doped． Key words： BiFeO3 ； Ni-doped； dielectric； leakage current
图 1 纯相和镍掺杂 BiFeO3 薄膜的 XＲD 图谱 Fig． 1 XＲD patterns of pure and Ni-doped BiFeO3 films
一致。这是因为乙酸镍在热解过程中形成了镍的氧化物，这种过渡金属氧化物可以在钙钛矿相中形成不均 匀的形核点，所以引起晶粒尺寸的减小［14］。另外镍掺杂后发生了晶粒的团簇现象，这可能是由于形核速率 发生了变化［15］。图 2（ c） 是纯相铁酸铋的截面 SEM 照片，由图可知薄膜样品的厚度约为 300 nm。因为前驱
第 42 卷 第 9 期 2013 年 9 月
人工晶体学报
JOUＲNAL OF SYNTHETIC CＲYSTALS
Vol． 42 No． 9 September，2013
镍掺杂铁酸铋薄膜的电磁性能研究
刘开通1，2 ，李 锦1 ，王 磊2，3 ，简基康1 ，徐方龙2，3 ，孙言飞1
（ 1． 新疆大学物理科学与技术学院，乌鲁木齐 830046； 2． 中国科学院新疆理化技术研究所新疆电子信息材料与器件重点实验室，乌鲁木齐 830011； 3． 中国科学院大学，北京 100049）
第9 期
刘开通等பைடு நூலகம் 镍掺杂铁酸铋薄膜的电磁性能研究
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而引起的氧空位［7］； 另一种是 Bi 原子在退火过程中的挥发而引起的 Bi 空位。为了降低漏电流，Shannigrahi 等人利用溶胶-凝胶法在 Pt / Ti / SiO2 / Si 衬底上制备了 Sc 掺杂铁酸铋薄膜［8］； Kawae 等人利用脉冲激光沉积 法在 Pt / SrTiO3 衬底上制备了 Mn，Ti 共掺的铁酸铋薄膜［9］，两者都对其电性能进行了研究，证明对铁酸铋进 行一定的元素掺杂可降低漏电流进而提高铁酸铋的电性能。