本课题组对于BFO薄膜的制备和多铁性能研究有一定的基础，本次将通过Sol-Gel法制备Pr、Dy、Mn元素共掺杂的BFO薄膜，以改善BFO薄膜的铁电性能。

本课题研究内容

(a) 在本课题组之前的实验基础上，确定B位掺杂Mn，且Mn的掺杂量确定为3%。

(b) 采用溶胶-凝胶法制备BiFe0.97Mn0.03O3薄膜，并对BiFe0.97Mn0.03O3薄膜进行A位Pr掺杂，研究掺杂量对BiFeO3结构、形貌、铁电性、介电性、漏电流的影响。

(c) 在确定A位Pr掺杂量的前提下，再掺入Dy元素，研究Pr、Dy、Mn共掺对BiFeO3结构、形貌、铁电性、介电性、漏电流的影响，确定Pr、Dy的最佳共掺量。

(d) 在确定A位Pr掺杂量的前提下，再掺入Sr元素，研究Pr、Sr、Mn共掺对BiFeO3结构、形貌、铁电性、介电性、漏电流的影响，确定Pr、Sr的最佳共掺量。

Bi1-xPrxFe0.97Mn0.03O3薄膜的晶体结构

图3-1为Bi1-xPrxFe0.97Mn0.03O3薄膜的XRD图谱，从图中可以看出，纯相BiFeO3薄膜中所有能够检测到的衍射峰均与扭曲的菱方R3c结构的XRD衍射卡片符合，衍射峰是用标准卡片[JCPDS NO. 86-1518]标定的。从衍射图谱中可以清晰观察到纯相BiFeO3的三强衍射峰均已出现，即2θ为22.42°、31.75°、32.07°的三个衍射峰，且其他峰的位置与标准卡片也吻合的较好。26.6°，37.8°，52°处还出现了FTO基板的衍射峰，除此之外，无其他杂峰。衍射峰的吻合，说明了Pr掺杂并没有明显改变BiFeO3薄膜的钙钛矿结构。在BFO薄膜制备过程中易产生Bi2Fe409和Bi46Fe2O72过渡相，此次制备中未出现这些杂相，说明制备的薄膜纯度较高，结晶良好。

图3-4是室温下测得的Bi1-xPrxFe0.97Mn0.03O3薄膜的漏导电流。从图中可以看出，随着Pr掺杂浓度的增加，薄膜的漏电流密度逐渐减小，注意到x=0.10和x=0.20时，外加电场只达到431kV/cm时，薄膜就已经被击穿，可能是薄膜内的缺陷太多。图表明随着外加电场的增加，漏电流密度急剧增大，外加电场为400kV/cm时，x=0.05，x=0.10，x=0.15，x=0.20时，薄膜的漏电流密度分别为1.44×10-5A/cm2，1.35×10-5A/cm2，5.31×10-6A/cm2，3.97×10-6A/cm2。可以看出，在较强的电场下Bi0.80Pr0.20Fe0.97Mn0.03O3和Bi0.85Pr0.15Fe0.97Mn0.03O3的漏电流密度明显比Bi0.95Pr0.05Fe0.97Mn0.03O3和Bi0.90Pr0.10Fe0.97Mn0.03O3的要小，而在低外加电场下，薄膜的漏电流密度均较小，且不同掺杂浓度之间无明显的变化规律。

图3-5是Bi1-xPrxFe0.97Mn0.03O3薄膜的极化强度与电场的关系，在1034kV/cm场强下进行的测试，测试频率为500Hz。从图中可以看出，Pr掺杂薄膜的剩余极化值随着掺杂浓度的增加不明显，但是曲线的矩形度越来越好，掺杂15%Pr时矩形度最好，掺杂20%时，性能又开始下降，说明Bi0.85Pr0.15Fe0.97Mn0.03O3的铁电性能最好。从图中还可以看出，Pr掺杂的确能改善BFMO薄膜的铁电性能，使其剩余极化值从纯相BFO的0.75μС/cm2增加到掺杂BFMO的80-100μС/cm2。x=0.10时，薄膜的剩余极化值最大，达到了101.6μС/cm2，但是矩形度不高，矫顽场为320kV/cm；x=0.15时，薄膜的剩余极化值约为95.7μС/cm2，矩形度最好，矫顽场为320kV/cm；因此可认为Pr掺杂15%时薄膜的铁电性能最好。

本实验采用溶胶-凝胶法在FTO/glass基底上制备出A位、B位共掺杂的BiFeO3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Bi1-xPrxFe0.97Mn0.03O3薄膜中，所有薄膜未出现其他杂相，均为R3c结构。随着掺杂量增加，(104)晶面峰与(110)晶面峰重合并向高衍射角方向移去。x=0.10时，薄膜的介电常数最大，达到了301，但其漏电流、介电损耗也是最大的；x=0.15，0.20时，薄膜的介电常数较小，但损耗、漏电流亦小。当Pr掺杂量为15%时，薄膜的电滞回线具有较好的矩形度，剩余极化值Pr=95.7μС/cm2，矫顽场为320kV/cm，仅次于x=0.10时的101.6μС/cm2。

(2)在Bi0.85-xDyxPr0.15Fe0.97Mn0.03O3薄膜中，薄膜的介电常数进一步提高，x=0.05时，介电常数值达到了365。x=0.04，0.06，0.07时，薄膜的介电常数较小，但是频率稳定性均比x=0.05时的好，介电损耗和漏电流亦比x=0.05时的低。Dy掺杂导致薄膜的铁电性能变差，x=0.04，0.05，0.06，0.07时，薄膜在1000kV/cm外加场强时的剩余极化值分别为79.7μC/cm2、68.4μC/cm2、50.4μC/cm2、38.7μC/cm2。可见x=0.04时薄膜性能最佳。

(3)在Bi0.85-xSrxPr0.15Fe0.97Mn0.03O3薄膜中，Sr掺杂能明显改善薄膜的铁电性能。随着Sr掺杂量的增加，薄膜的介电常数持续增大，从299增加至402，但是频率稳定性却呈反向变化趋势，随掺杂量的增加，介电常数下降速度越来越快。薄膜的漏电流密度随着Sr掺杂量的增加而增加。x=0.02时，在667kV/cm下漏电流密度为5.62×10-5A/cm2。Sr掺杂薄膜的电滞回线达到了饱和状态，但此薄膜的电滞回线矩形度最好，剩余极化值也较大，1094kV/cm场强下，Pr达到了121.1μC/cm2，矫顽场341kV/cm。