Bi2O3缓冲下BiFe0.95Mn0.05O3薄膜的铁磁与压电性能提升

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本研究报道了一种通过溶胶-凝胶法制备的BiFe0.95Mn0.05O3薄膜,该薄膜在Bi2O3缓冲的Pt/Ti/SiO2/Si衬底上展现出显著的铁磁性和压电性能提升。相比于直接沉积在Pt/Ti/SiO2/Si上的薄膜,Bi2O3的存在起到了关键作用。在1到16.7 kHz的宽频率范围内,这两种薄膜都显示出饱和的方形磁滞回线,表明它们具有良好的磁性响应。 在Bi2O3缓冲的BiFe0.95Mn0.05O3薄膜上,压电特性得到了显著增强。其2P(r)值高达156 μC/cm²,这表示薄膜在机械应力下能产生的电荷量较大,适合用于能量转换和传感器应用。同时,2E(c)值减小至510 kV/cm,这意味着在相同的电压下,薄膜能产生更大的位移,这对于提高压电器件的灵敏度至关重要。磁滞回线更加对称,反映出更高的稳定性和较低的非线性效应,而电荷保持能力也更强,即使经过长时间(10^4 s)操作,电荷损耗仅占2%,这证明了薄膜在长期工作中的可靠性能。 此外,该薄膜的耐疲劳性能显著,经过大量的开关循环(达到10^10次)后,压电响应Delta P没有明显下降,这显示了其在实际应用中的持久性。更为重要的是,BiFe0.95Mn0.05O3薄膜能够被压电模式的原子力显微镜均匀极化,显示出64 pm/V的压电系数,这是由于Bi2O3缓冲层有效减少了负电缺陷如(Mn-Fe3+ (2+))复合物以及(Fe-Fe3+ (2+))和氧空位等杂质的影响,从而优化了薄膜的晶体生长,提高了其内部结构的有序性。 这项研究揭示了Bi2O3缓冲层在改善BiFe0.95Mn0.05O3薄膜的铁磁性和压电性能方面的关键作用,这为设计高性能的铁电和压电材料提供了新的思路和方法,可能在微电子、传感器和能量转换等领域具有广阔的应用前景。