本论文结合BiFeO3的研究现状，针对BiFeO3的磁性能差等问题，将其与强磁性材料CoFe2O4进行复合制备出BFO/CFO复合膜，同时为了提高其铁电性对BiFeO3进行A位掺杂稀土元素Tb，B位掺杂磁性金属元素Mn、Cr、Co等，综合研究改性对BiFeO3多铁性能的影响，并进行相应实验和基础理论的研究。具体研究内容如下：

本课题首先要制备出掺杂后的BiFeO3薄膜、纯相均匀BFO/CFO复合膜、B位掺杂的BFO/CFO复合膜及A、B位共掺杂的BFO/CFO复合膜，并对BFO薄膜及其复合膜的性能进行测试，其中重点研究掺杂改性及掺杂复合后薄膜的表征和性能测试。

1、研究B位磁性金属元素掺杂后复合膜的微观形貌、结构和铁电性能、介电性能的影响。

2、研究A、B位共掺杂后BFO/CFO复合薄膜的微观形貌、结构和铁电性能、介电性能的影响。

3、研究CFO薄膜复合对BFO薄膜结构及性能的影响。

本实验采用溶胶凝胶法制备BFO/CFO复合膜。

溶胶凝胶制备法是一种湿化学制备方法，非常适合制备化学组分复杂的铁电薄膜，它主要包括水解反应和聚合反应，反应式为：

（1）水解反应：M(OR)n + xH2O → M(OH)x(OR)n－x + xROH                   （2-1）

（2）聚合反应：-M-OH + HO-M- → -M-O-M-+H2O                        （2-2）

-M-OR + HO-M- → -M-O-M-+ROH                         （2-3）

溶胶凝胶法是将酯类化合物或金属醇盐溶于有机溶剂中，形成均匀的溶液，然后加入其他组分，在一定温度下反应形成凝胶，最后经干燥处理制成产品。

其优点是：（1）设备要求不高，操作方便，容易控制；（2）对基片的大小和形状要求不高，容易控制薄膜成分；（3）合成温度低；（4）所制材料均匀；（5）容易掺杂。

实验原料

本课题采用溶胶-凝胶法在FTO玻璃基板上制备BFO-CFO复合薄膜，使用乙二醇甲醚和乙酸酐为溶剂，选择硝酸钴、硝酸铁和硝酸铋分别引入钴、铁和铋，使用镧系元素Tb的硝酸盐和过渡金属Mn、Cr、Co的硝酸盐作为掺杂原料。实验中所用到的药品如下表2-1所示。

本课题针对BFO薄膜的漏电流大、磁性弱以及与铁磁相复合后铁电性弱的问题，采用溶胶-凝胶法在FTO/glass基板上制备了B位掺杂的TM-BFO/CFO（TM=Cr、Mn、Co）复合膜及A、B位掺杂Tb、TM-BFO/CFO（TM=Cr、Mn、Co）复合膜，通过使用X射线衍射仪，扫描电子显微镜，阻抗分析仪，电滞回线测试仪，漏电流测试仪等对比研究了BFO/CFO复合薄膜物相、微观形貌、介电性、铁电性以及漏电流。得出如下结论：

（1）B位掺杂的TM-BFO/CFO（TM=Cr、Mn、Co）复合薄膜晶体结构呈扭曲菱形钙钛矿结构，属于R3c空间点阵，且结晶程度高。B位掺杂后薄膜的漏电流至少降低了2~3个数量级，铁电性有显著提高。当Mn、Co共掺时，对BFO/CFO复合膜的影响最为显著，其漏电流降低了3个数量级，达到了10-6数量级，剩余极化强度由43.5 μC/cm2增加到了187.8 μC/cm2。

（2）A、B位掺杂的Tb、TM-BFO/CFO（TM=Cr、Mn、Co）复合薄膜晶体结构菱形钙钛矿结构，属于R3c空间点阵，且结晶程度高。A、B位掺杂后薄膜的漏电流至少降低了2~3个数量级，铁电性也有显著提高，其中A位Tb单掺，B位Mn、Co共掺时对BFO/CFO复合膜的影响最为显著，其漏电流其漏电流降低了2个数量级，达到10-5数量级，剩余极化值由43.5 μC/cm2增加到了133.73 μC/cm2。

（3）CFO复合后，BFO和CFO薄膜建立了良好的界面关系，且铁电性能明显提高，漏电流降低，如Tb、Mn共掺时，复合薄膜的剩余极化强度由未复合前的90.81 μC/cm2增加到了117.01 μC/cm2，且电滞回线曲线的对称性和饱和性更好。