磁控溅射法制备多晶BiFeO3薄膜

杨强+陈蕊+王翼鑫+王丽丽

摘 要：通过磁控溅射法在单晶Si（100）基片上生长了不同厚度的BiFeO3多晶薄膜，对样品的结构、形貌、磁性进行研究。结果表明，通过改变溅射时间，影响薄膜微观结构。样品薄膜具有平整的表面。室温下，样品呈现反铁磁有序。

关键词：BiFeO3多晶薄膜；磁控溅射法；单晶Si（100）；反铁磁

中图分类号：TB383 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）01-0040-02

Abstract： BiFeO3 polycrystalline thin films with different thickness were grown on single crystal Si-100 substrates by magnetron sputtering. The structure， morphology and magnetic properties of the samples were studied. The results show that the microstructure of the films is affected by changing the sputtering time. The sample film has a flat surface. At a room temperature， the sample exhibits antiferromagnetic order.

Keywords： BiFeO3 polycrystalline thin films； magnetron sputtering method； single crystal Si （100）； antiferromagnetism

多铁材料是指同时具有铁电性和磁性的材料，并且材料本身存在电性与磁性耦合效应，能够实现铁电性和磁性的相互调控[1]。BiFeO3（简称 BFO）是到目前为止唯一一种在室温下同时存在铁电有序和反铁磁有序的材料。Hill和Reyes等[2]指出BiFeO3室温下具有菱面体畸变钙钛矿结构，属于R3c空间群。BiFeO3具有较高的居里温度（Tc=1103K）和奈尔温度（TN=650K），这一高的相变温度也预示其很大的自发极化[2]。磁控溅射法是一种有效的低成本的制备大面积薄膜的方法，它具有溅射速率快，基片温度低等特点[3]。本文采用磁控溅射法在单晶Si（100）基片上，生长了多晶BiFeO3薄膜材料，并对其结构、表面及磁性进行了研究。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

利用JGP560B多靶磁控溅射系统，采用射频磁控溅射技术在单晶Si（100）基片上沉积厚度约为300nm的BFO薄膜。采用直径60mm，厚度3mm，并加有2mm铜背板Bi1.05FeO3陶瓷靶材（Bi过量5%）。使用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和振动样品磁强计（VSM）分别对样品的微观结构、表面形貌及磁性进行表征。

1.2 实验过程

实验前清洗Si（100）基片，首先用去离子水冲洗，再将冲洗过的Si基片，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗20min，以清除表面的杂质。最后用高纯N2气将其吹干并放入真空腔体中。采用机械泵和分子泵将真空腔体的底真空抽至3×10-4pa高真空的状态后，借助气体流量计向真空腔体内通入一定比例的Ar与O2的混合气体，设置基片初始温度为650°C，溅射功率为90W。溅射结束后，在纯氧气气氛下降温到室温，保持氧气压强为4.0pa。

2 结果与讨论

2.1 XRD结果分析

图1为单晶Si（100）基片上生长的BiFeO3薄膜样品的XRD谱图。从图中，我們可以看出，当溅射时间为20min与40min时，由于膜层较薄，所以X射线衍射图谱中并没有显示较为明显的衍射峰，当溅射时间t≥1h后，从图中可以明显看出BFO的主要衍射峰都已出现，分别为位于22.101°（100），31.539°（110），32.482（ī10），45.376°（020），51.167°（120），55.498°（121），68.879°（220）。与标准谱图（JCPDS 74-2493）对比可知，样品为六方菱面体结构，属于R3m空间群。谱图中除了BFO的特征峰以外，还有一个位于27.629° Bi2O3的（111）晶向的衍射峰，由于Bi元素的挥发温度很低，易与气氛中的O2反应，形成Bi的氧化物，而BFO相只能在很窄的温度区间内形成稳定相，所以有磁控溅射法制备的BFO薄膜常常伴有Bi的氧化物相。虽然有杂质相Bi2O3相的存在，但Bi2O3为抗磁性，所以对于BFO的固有磁性测量，不会产生不利影响。根据Jade6.0软件计算可得，当溅射时间为1h时，样品的晶粒大小为16.8nm。样品的晶格常数为a=0.396nm，c=0.100nm。随着溅射时间的增长，薄膜的厚度越来越厚，样品的衍射峰向小角度偏移，这说明样品的晶格常数变大，晶格膨胀。

2.2 SEM结果分析

图2为BiFeO3薄膜的SEM的二维表面形貌照片。图2（a）、（b）为溅射1h的表面形貌，分别为放大5万倍与10万倍。图2（c）、（d）为溅射2h的表面形貌，分别为放大5万倍与10万倍。从图中可以看出样品表面平整，没有贯穿性的孔洞，边缘连接紧密，没有断裂的现象。溅射时间较短时，样品表面呈球状。粒径大小为20nm。溅射时间2h样品转变为块粒状，粒径大小100nm。随着厚度的增大，样品的晶粒是不断长大的。这与XRD结果是相对应的。图3为BiFeO3薄膜的截面的SEM图。各层间的分界清楚，样品与基片的附着很好。各层之间没有相互扩散，薄膜厚度均匀，约为344nm。

2.3 VSM结果分析

图4（a）、（b）均为室温下，溅射时间为1h的样品在磁场平行薄膜方向上测得的磁滞回线（M-H曲线）。（a）为包含背底Si的样品曲线，（b）为经过扣除背底处理后的样品曲线。从图中，我们可以看出由于基片Si为抗磁性，在扣除抗磁信号后，样品BFO为反铁磁性。图（b）为磁场区间为（-2500Oe～2500Oe）放大图，从图中可以看出样品矫顽力虽然很小，但仍然是存在的。由于BFO材料的奈尔温度（TN=650K）高于室温（300K），因此，在室温下会呈反铁磁有序态。

3 结束语

采用磁控溅射法制备在单晶Si（100）基片上生长了不同厚度的BiFeO3多晶薄膜。当溅射时间t≥1h后，从图中可以明显看出BFO的主要衍射峰都已出现。样品为六方菱面体结构，随着溅射时间的增长，样品的晶格常数变大，晶格膨胀。在室温下，磁性测试结果表面，样品呈现反铁磁性。

参考文献：

[1]Vaz， C. A. F. Hoffman， J.； Ahn， C. H. Ramesh， R. Magnetoelectric Coupling Effects in Multiferroic Complex Oxide Composite Structures. Advanced Materials， 2010，22，2900-2918.

[2]Zhao， T. Scholl， A. Zavaliche， F. Lee， K. Barry， M. Doran， A. Cruz， M. P. Chu， Y. H. Ederer， C. Spaldin， N. A. Das， R. R. Kim， D. M. Baek， S. H. Eom， C. B. Ramesh， R. Electrical control of antiferromagnetic domains in multiferroic BiFeO3 films at room temperature. Nat Mater，2006，5，823-829.

[3]M. B. A. B. Multiferroics： Towards a magnetoelectric memory. Nature Materials，2008，7，425.

[4]Singh， A. Khan， Z. R. Vilarinho， P. M. Gupta， V. Katiyar， R. S. Influence of thickness on optical and structural properties of BiFeO3 thin films： PLD grown. Materials Research Bulletin ，2014，49，531-536.endprint