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| 內容簡介： |
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本书采用溶胶-凝胶法，利用层层快速退火的工艺，探讨了不同掺杂元素对铁酸铋（BFO）铁电薄膜性能的影响机制；制备了不同厚度锶铋钛（SBT）过渡层，研究了过渡层厚度对双层薄膜晶体结构和性能的影响机制；探索了SBT和BFO复合形成固溶体铁电材料的性能。本书可以作为从事电子信息功能材料研究，尤其是从事铁电材料研究人员的参考书，也可以作为高等学校、科研院所高年级本科生和研究生的教学、科研用书。
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| 目錄：
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第1章 绪论
1.1 铋层状钙钛矿铁电材料晶体结构 3
1.2 典型的铋层状钙钛矿结构材料 5
1.3 改性研究 7
1.3.1 A位掺杂 7
1.3.2 B位掺杂 8
1.3.3 共生结构 9
1.4 BFO的结构与性能 10
1.4.1 元素掺杂改性 12
1.4.2 控制薄膜取向 14
1.4.3 形成异质结构 15
1.4.4 形成固溶体 15
1.5 研究思路 16
参考文献 18
第2章 实验设计及性能表征
2.1 实验所需原料 26
2.2 实验设备及测试仪器 26
2.3 制备工艺流程 28
2.3.1 薄膜的制备流程 28
2.3.2 陶瓷的制备流程 30
2.4 样品表征方法 31
2.4.1 物相分析 31
2.4.2 微观形貌分析 32
2.4.3 差热-热重分析 32
2.4.4 化合价分析 33
2.4.5 原子力显微镜、压电力显微镜 33
2.5 性能测试方法 34
2.5.1 介电性能测试 34
2.5.2 铁电性能测试 35
2.5.3 磁性测试 36
参考文献 36
第3章 掺杂对BFO薄膜性能的影响
3.1 退火温度对BFO薄膜结构和性能的影响 37
3.1.1 退火温度对BFO薄膜晶体结构的影响 38
3.1.2 退火温度对BFO薄膜微观形貌的影响 39
3.1.3 退火温度对BFO薄膜铁电性能的影响 41
3.2 Bi过量对BFO薄膜结构和性能的影响 42
3.2.1 Bi过量对BFO薄膜晶体结构的影响 42
3.2.2 Bi过量对BFO薄膜微观形貌的影响 44
3.2.3 Bi过量对BFO薄膜漏电性能的影响及漏电机制分析 45
3.2.4 Bi过量对BFO薄膜铁电性能的影响 47
3.3 Zn掺量对BFO薄膜结构和电性能的影响 49
3.3.1 Zn掺量对BFO薄膜晶体结构的影响 49
3.3.2 Zn掺量对BFO薄膜微观结构的影响 50
3.3.3 XPS高分辨电子能谱分析 51
3.3.4 Zn掺量对BFO薄膜铁电性能的影响 53
3.3.5 Zn掺量对BFO薄膜漏电性能的影响 54
3.3.6 Zn掺量对BFO薄膜漏电机制的影响 55
3.3.7 Zn掺量对BFO薄膜介电性能的影响 58
3.4 退火气氛对BFZO薄膜结构和电性能的影响 58
3.4.1 退火气氛对BFZO薄膜晶体结构的影响 59
3.4.2 退火气氛对BFZO薄膜表面形貌的影响 60
3.4.3 XPS高分辨电子能谱分析 60
3.4.4 退火气氛对BFZO薄膜漏电性能的影响 62
3.4.5 退火气氛对BFZO薄膜漏电机制的影响 63
3.4.6 退火气氛对BFZO薄膜介电性能的影响 64
3.4.7 退火气氛对BFZO薄膜性能老化的影响 65
3.5 Mn掺杂对BFO薄膜结构和性能的影响 68
3.5.1 Mn掺杂对BFO薄膜晶体结构的影响 69
3.5.2 Mn掺杂对BFO薄膜微观形貌的影响 71
3.5.3 Mn掺杂对BFO薄膜漏电特性的影响 71
3.5.4 Mn掺杂对BFO薄膜铁电性能的影响 73
3.6 前驱液浓度对BFMO薄膜结构和性能的影响 75
3.6.1 前驱液浓度对BFMO薄膜晶体结构的影响 75
3.6.2 前驱液浓度对BFMO薄膜表面形貌的影响 76
3.6.3 前驱液浓度对BFMO薄膜铁电性能的影响 77
3.6.4 前驱液浓度对BFMO薄膜漏电性能的影响 78
3.7 Sr掺杂对BFMO薄膜结构和性能的影响 79
3.7.1 Sr掺量对BFMO薄膜结构和性能的影响 80
3.7.2 Sr掺量对BFMO薄膜铁电特性的影响 81
3.7.3 退火温度对BSFMO薄膜结构和性能的影响 84
3.7.4 BSFMO薄膜老化性能的研究 87
3.8 Cu、Zn、Mn共掺杂对BFO薄膜结构和性能的影响 89
3.8.1 Cu、Zn、Mn共掺杂对BFO薄膜晶体结构的影响 89
3.8.2 Cu、Zn、Mn共掺杂对BFO薄膜漏电性能的影响 90
3.8.3 Cu、Zn、Mn共掺杂对BFO薄膜铁电性能的影响 91
3.9 Mn、Ti共掺杂对BFO薄膜结构和性能的影响 92
3.9.1 Mn、Ti共掺杂对BFO薄膜晶体结构的影响 92
3.9.2 Mn、Ti共掺杂对BFO薄膜微观形貌的影响 93
3.9.3 Mn、Ti共掺杂对BFO薄膜漏电特性的影响 94
3.9.4 Mn、Ti共掺杂对BFO薄膜铁电性能的影响 95
3.10 本章小结 97
参考文献 100
第4章 双层复合薄膜的性能研究
4.1 SBT过渡层厚度对BFO/SBT双层复合薄膜性能的影响 107
4.1.1 结构分析 107
4.1.2 SEM分析 109
4.1.3 XPS分析 110
4.1.4 铁电性能分析 113
4.1.5 漏电性能分析 115
4.1.6 介电性能分析 118
4.2 SBT过渡层厚度对BFMO/SBT双层复合薄膜性能的影响 119
4.2.1 结构分析 119
4.2.2 SEM分析 122
4.2.3 XPS分析 123
4.2.4 PFM分析 126
4.2.5 漏电性能分析 127
4.2.6 铁电性能分析 130
4.2.7 铁磁性分析 131
4.2.8 老化性能分析 132
4.3 本章小结 134
参考文献 134
第5章 BFO-SBTi复合铁电陶瓷的制备和性能研究
5.1 SBFTi铁电陶瓷的结构表征 140
5.1.1 SBFTi铁电陶瓷的晶体结构研究 140
5.1.2 SBFTi铁电陶瓷的显微结构研究 142
5.1.3 SBFTi铁电陶瓷的拉曼光谱研究 143
5.1.4 SBFTi铁电陶瓷中的元素价态分析 145
5.2 SBFTi铁电陶瓷的铁电性能研究 147
5.2.1 SBFTi铁电陶瓷的电滞回线 147
5.2.2 SBFTi铁电陶瓷的漏电性能表征 148
5.3 SBFTi铁电陶瓷的电磁性能 150
5.4 SBFTi铁电陶瓷的介电特性 150
5.4.1 SBFTi铁电陶瓷的常温介电特性 150
5.4.2 SBFTi铁电陶瓷的介温谱特性 152
5.4.3 SBFTi铁电陶瓷的交流阻抗研究 156
5.4.4 SBFTi铁电陶瓷的交流电导率研究 164
5.5 本章小结 168
参考文献 169
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| 內容試閱：
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随着传感器、谐振器、驱动器、非挥发性存储器、超声波换能器等铁电薄膜电子元器件需求量的增加，制备低成本、高寿命、集成多功能的铁电薄膜材料受到研究者的高度关注。近年来，铁酸铋（BiFeO3，简称BFO）作为一种理想的环境友好型无铅多铁材料，因其优异的铁电、压电以及铁磁性能，有望在未来的微机电系统中替代Pb(Zr，Ti)O3(PZT)而得到广泛的应用。
铁酸铋（BiFeO3）作为一种典型的斜六方畸变的钙钛矿单相多铁性材料，其铁电居里温度(Tc=1103K)和反铁磁尼尔温度（TN=643K）均比室温高很多，因此其电学性能在室温下是很稳定的。然而与PZT薄膜相比，BFO薄膜的优势是绿色环保，但是它的铁电、压电等电学性能与PZT相比还有很大的改善空间。BFO存在的主要问题之一是具有较大的漏电流，由于漏电严重，施加在BFO薄膜上的有效电场较小，导致铁电畴无法翻转，甚至在很低的电压下材料就被击穿，无法获得饱和的极化而无法显示其优良的铁电性能。因此，铁电研究人员在不断探索抑制缺陷、降低漏电流的方法。
在各种方法中，离子掺杂被普遍认为是潜力的方式之一，它可以有效降低漏电流。深入研究与探讨离子掺杂，同时实现薄膜低温结晶化是进一步提高BFO薄膜性能以及促进其应用的关键。上述问题的解决将对BFO铁电薄膜的研究与应用有非常重要的学术价值及意义。在降低漏电流的众多方法中形成双层结构与掺杂改性相比较是属于纳米尺度的结构设计，是更细微的微观改变，因此越来越受到研究者的重视。研究发现，Sr2Bi4Ti5O18（SBT）具有较低的漏电流，介电常数较大，疲劳性能良好，并且SBT中有绝缘性好的(Bi2O2)2 存在，可以起到良好的绝缘体的作用。此外，理论上构筑双层、多层结构能抑制膜内氧空位的迁移，从而会降低双层复合薄膜漏电流密度。SBT和BFO都可以通过形成固溶体的方式来改善自身性能，以获得良好的铁电、介电和铁磁性能。两者的晶体结构分别为两层铋氧层中间叠加类钙钛矿层的三明治结构和菱方畸变的钙钛矿结构，从理论上来讲，这种结构上的相近能够使二者复合形成SBT-BFO固溶体。更重要的是，SBT材料中的(Bi2O2)2 具有绝缘和空间电荷库的双重作用，可以有效降低BFO材料的漏电流，有助于铁电性能的提高。有关的研究也显示该固溶体系的陶瓷室温下表现出多铁性，因此具有磁电耦合效应，而这种效应在磁传感器、信息存储和自旋电子器件等中有着极为广泛的应用前景。
基于以上问题，本书采用溶胶-凝胶法，利用层层快速退火的工艺，探讨了不同掺杂元素对BFO铁电薄膜性能的影响机制；制备了不同厚度SBT过渡层，研究了过渡层厚度对双层薄膜晶体结构和性能的影响机制；探索了SBT和BFO复合形成固溶体铁电材料的性能。
本书可以作为从事电子信息功能材料研究，尤其是从事铁电材料研究人员的参考书，也可以作为高等学校、科研院所高年级本科生和研究生的教学、科研用书。
本书由张丰庆、王玲续著，特别感谢范素华教授参与本书的工作。感谢郭晓东、解肖斌、杨士菊、张丽萍、赵雪峰、沈鹏、刘慧莹和马志彪等同学在薄膜制备、性能表征、机理分析、工作总结等方面做的贡献。同时感谢姚炳东、刘彦、王杨阳、李召阳同学在资料汇总、文字和图表格式以及校稿等方面所做的工作。车全德副教授、田清波教授、岳雪涛副教授、李静教授等对本书也给予了大力的支持，本书的出版得到了山东建筑大学材料科学与工程学院的大力支持，在此一并表示感谢。
由于笔者水平和时间有限，误漏之处在所难免，敬请读者批评指正。
笔者
2023年1月
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