本论文的研究目的和意义

BiFeO3薄膜是一种研究意义极高的多铁材料，其高的居里点、大的剩余极化值、优越的电性能以及铁电铁磁的共存耦合使得其具有广阔的应用前景。BiFeO3 薄膜要真正应用于微电子器件，必须同时具有较强的铁电性、铁磁性和磁电效应，矫顽场和厚度应足够小，纯的 BiFeO3 薄膜显然不能满足要求。因此需要我们从各个方面进行研究优化其铁电铁磁性能。

对于制备工艺而言改革的进度是缓慢的，它要关系到许多行业的改革创新。而另一种比较实用且快速研究改性BiFeO3薄膜的方法就是掺杂。掺杂不仅可以降低漏电流密度，还能提高剩余极化强度。而对于前文中对相关研究成果的分析可知，通过掺杂或者替代可以提 BiFeO3的铁电性、铁磁性以及磁电耦合效应，基于以上La或者Mn的单个离子对BiFeO3的A位或者B位的掺杂的研究报道，可知La或者Mn的掺杂对BiFeO3的铁电、铁磁性质影响很大，然而，实验上有关A位、B位进行共掺杂对BiFeO3陶瓷样品的铁电特性、铁磁特性和磁电耦合效应影响的报道相对较少。因此，本次实验采用A、B位共掺杂对BiFeO3薄膜进行研究。

从目前研究来看，对 BiFeO3材料 A 位进行掺杂的稀土元素主要有 La、Ce，Pr、Nd、Sm、Dy、Eu、Gd、Ho、Er等。之所以 A 位选择稀土元素作为 Bi 的取代元素，前文已有说明。B位进行掺杂的过渡金属主要有Ti、Zr、Cr、Mn、Co等。

选择上述过渡金属对B位进行掺杂的原因主要有：非磁性的Ti4+、Zr4+等高价态阳离子对 Fe3+的取代，可减少氧空位，从而改变 Fe2+离子的浓度，能有效降低漏电流，增大电阻，得到饱和的电滞回线；其次是 Cr、Mn、Co 等磁性过渡金属的离子掺杂，通过对B位Fe3+离子的替代可以强烈地影响其晶粒内部的磁结构，进而影响其磁性及磁电效应，掺杂样品的磁性都得到了明显增强.。

由于Er离子半径较小与Bi离子差别大，在进入晶格后造成的较大的化学内应力，从而产生较大的晶格畸变或者出现结构转变，能有效的提高BiFeO3磁电性能。同时在前面的报道中发现Mn、Co离子掺杂能够有效的减小薄膜的漏导电流，同时大幅增强其磁电特性。因此，在本实验中A位选择Er元素掺杂，B位采用Mn、Co掺杂。

本论文的研究内容

（1）探索溶胶-凝胶法制备Er掺杂BiFeO3薄膜，并研究不同掺杂量对BiFeO3薄膜结构、微观形貌、铁电性、介电性以及漏导电流的影响。

（2）在确定A位Er掺杂量的基础上，对BiFeO3薄膜进行B位的Co掺杂，并研究共掺对BiFeO3薄膜结构、表面形貌、介电性能、铁电性及漏电流的影响。

（3）在确定Er、Co共掺量后，再对薄膜进行B位的Mn掺杂以及Co、Mn定量的A位Er掺杂，并对其结构、微观形貌、铁电性、介电性以及漏导电流进行研究，得出最佳的Er、Mn、Co共掺量。

本实验采用溶胶-凝胶法在FTO/glass基底上制备了Bi1-xErxFeO3薄膜、Bi0.9Er0.1Fe1-xCoxO3薄膜、Bi0.9Er0.1Fe0.98-xCo0.02MnxO3薄膜和Bi1-xErxFe0.96Co0.02Mn0.02O3薄膜，薄膜的退火温度为550℃。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，漏电流测试仪等研究了BiFeO3薄膜物相、微观形貌、介电性、铁电性以及漏电流。得出以下结论：

（1） 在Er单掺的Bi1-xErxFeO3薄膜系列中，Er掺杂量为10%时，薄膜具有最优铁电性能（电滞回线矩形度最好）。当Er掺杂量大于10%时，薄膜中有少量杂相出现，可能是由于Er的掺入使薄膜发生了晶体结构畸变；掺杂量为10%时，薄膜电滞回线饱和度增加，介电损耗最小，而漏电流密度也在电场场强大于200kV/cm时，x=0.10的薄膜漏导电流最小，这与Er的掺杂可减少Bi的挥发，减少氧空位有关。

 （2） Bi0.9Er0.1Fe1-xCoxO3薄膜中当共掺10%Er，2% Co时，薄膜的铁电性能最好，727kV/cm的电场下，剩余极化值Pr为97.04μC/cm2，矫顽场Ec为404kV/cm。在Co掺量2%时，薄膜主衍射峰位向左偏移，薄膜内部产生应力，晶体结构发生畸变。Co掺杂2%的薄膜Bi0.9Er0.1Fe0.98Co0.02O3薄膜的晶粒均匀且致密，有利于畴的反转。Bi0.9Er0.1Fe1-xCoxO3薄膜的介电常数也在掺杂量为2%时最大。

（3） 在Er、Mn、Co共掺杂BiFeO3薄膜中，在掺杂量为Er10%、Mn2%、Co2%时，薄膜表现出优异的铁电性性能（Pr~95.35μC/cm2）。在Co、Mn定量，Er掺杂改变时，薄膜的主衍射峰随着掺杂量的增加向右偏移，这可能是由于Er3+较小的离子尺寸，在Er3+进入晶格，替代部分Bi3+后，由尺寸效应使晶格参数发生变化，峰位发生偏移。在Er为10%时，薄膜的晶粒尺寸较大，晶界少，有利于畴的反转，使铁电性能提高。在Mn变时，薄膜的主衍射峰随着掺杂量的增加向左偏移，薄膜的结构畸变加剧，此畸变有利于极化的增强。随着Mn的掺杂，薄膜的致密度上升。Mn的掺杂有利于抑制氧空位的形成，随着Mn的掺入薄膜的漏电流密度减小近一个数量级。从而使薄膜的铁电性得到提高。