Cu/N共掺杂的Ga0.6Fe1.4O3薄膜中泄漏性能和铁电性质的改善

《Journal of Alloys and Compounds》：The improved leakage and ferroelectric properties in Cu/N codoped Ga 0.6Fe 1.4O 3 films

本研究通过Cu/N共掺杂策略改善Ga0.6Fe1.4O3薄膜的泄漏电流问题，发现Cu2?掺杂Fe3?位点和N3?掺杂O位点可有效抑制Fe3?/Fe2?价态跃迁，使泄漏电流降低4个数量级，显著提升薄膜的铁电性能。所有样品均保持铁磁有序结构，磁转变温度高于室温，为磁电设备开发提供新思路。

　　多铁性材料因其独特的物理性质和潜在的技术应用而受到广泛关注。这类材料能够同时表现出铁磁性、铁电性和铁弹性行为，这使得它们在自旋电子学、磁传感器和数据存储等领域具有重要的研究价值。多铁性材料的应用前景广阔，但其实际应用受到多种因素的限制，如材料的电学性能和结构稳定性等。因此，对多铁性材料进行改性，以优化其性能，成为当前研究的重点之一。

在众多多铁性材料中，Ga_0.6Fe_1.4O₃（简称GFO）因其在室温以上表现出显著的多铁性行为而备受关注。GFO具有正交晶系结构，其铁电转变温度高于1386K，而磁转变温度约为370K。这种高转变温度使其在高温环境下的应用成为可能，同时，其磁电耦合效应也表现出较强的特性，使其成为下一代多铁性器件的重要候选材料。然而，GFO薄膜中存在氧空位以及Fe离子的价态波动（从Fe³⁺到Fe²⁺），这些因素导致材料的漏电流较高，从而影响其电学性能和实际应用。因此，如何有效控制漏电流成为提升GFO薄膜性能的关键问题。

近年来，研究者们尝试通过多种方法来改善GFO的漏电流特性。其中包括调整制备参数、在不同气氛下退火以及进行原子掺杂等。其中，原子掺杂被认为是较为有效的方法之一。例如，通过将二价阳离子（如Mg²⁺、Co²⁺、Ni²⁺）引入GFO晶格中，可以显著降低漏电流并增强其铁电性能。Mg²⁺的掺杂被证明可以有效抑制漏电流，Co²⁺的掺杂则降低了电子导电性，而Ni²⁺的掺杂不仅增强了铁电性能，还显著减少了漏电流。此外，Mn的掺杂也被发现能够有效降低漏电流，但同时可能导致磁转变温度的下降。尽管这些研究为改善GFO的性能提供了重要线索，但关于Cu²⁺和N^3-共同掺杂GFO薄膜的研究仍较为缺乏。

为了进一步提升GFO薄膜的性能，本研究提出了一种新的掺杂策略，即通过同时引入铜离子（Cu²⁺）和氮离子（N^3-）进行共掺杂。这种策略不仅考虑了阳离子的掺杂，还引入了阴离子的掺杂，以更全面地调控材料的电学和磁学性能。具体而言，Cu²⁺被引入Fe位点，而N^3-则被引入O位点。通过这种共掺杂方式，我们有效抑制了Fe³⁺向Fe²⁺的还原过程，同时降低了Fe³⁺与Fe²⁺离子之间的跳跃概率，从而显著减少了漏电流。与单一掺杂相比，共掺杂的GFO薄膜表现出更优异的性能，其漏电流降低了4个数量级，这是目前报道中较为显著的改善。

在实验方法方面，本研究采用脉冲激光沉积（PLD）技术，在Nb掺杂的SrTiO₃（111）基底上制备了Ga_0.6Fe_1.4-xCu_xO₃/N（简称CuN-GFO，x=0.02和0.05）薄膜。PLD技术具有较高的精度和可控性，能够实现对薄膜成分和结构的精细调控。为了确保薄膜的结构稳定性和性能优化，我们选择了适当的掺杂比例，并通过高温烧结制备了陶瓷靶材。这些靶材随后用于PLD过程，以确保薄膜的均匀性和高质量。

在结构表征方面，X射线衍射（XRD）分析表明，CuN-GFO薄膜具有完美的正交晶系结构，且其空间群为Pc2₁n。所有薄膜均显示出单一相结构，没有出现任何杂相。此外，XRD图谱还显示出（00l）衍射峰，这表明薄膜在生长过程中具有沿c轴取向的趋势。这种取向对于铁电性能的测量和评估尤为重要，因为GFO的极化方向通常与c轴一致。因此，薄膜的取向性不仅影响其结构稳定性，还对后续的电学和磁学性能产生重要影响。

在电学性能方面，我们通过漏电流测试发现，Cu和N的共掺杂能够显著降低GFO薄膜的漏电流。与纯GFO薄膜相比，CuN-GFO薄膜的漏电流减少了4个数量级，显示出极高的电学性能。这种漏电流的显著降低不仅提升了材料的绝缘性能，还使得其在高电场下的稳定性增强。此外，漏电流的降低也意味着材料在实际应用中具有更低的能耗，这在现代电子器件中尤为重要。

在铁电性能方面，我们通过铁电滞后回线测试发现，CuN-GFO薄膜表现出良好的铁电性能。与纯GFO薄膜相比，共掺杂的薄膜在高电场下显示出更清晰的极化反转行为，且其滞后回线的面积显著增大。这表明，Cu和N的共掺杂不仅改善了材料的漏电流特性，还增强了其铁电性能。此外，我们还通过介电常数测试发现，CuN-GFO薄膜的介电性能得到了显著提升，这可能与其结构的优化和离子分布的调控有关。

在磁学性能方面，所有CuN-GFO薄膜均表现出铁磁性行为，且其磁转变温度（T_C）均高于室温。这表明，共掺杂并未影响材料的磁性，反而可能通过优化晶格结构和离子分布，增强了其磁电耦合效应。此外，我们还通过磁滞回线测试发现，CuN-GFO薄膜的磁性能较为稳定，其矫顽力和饱和磁化强度均有所提升，这进一步表明了共掺杂对磁性能的积极作用。

通过系统研究Cu和N的共掺杂对GFO薄膜的结构、组成、磁性和铁电性能的影响，我们发现这种共掺杂策略能够有效提升材料的综合性能。这不仅为GFO薄膜在实际应用中的性能优化提供了新的思路，也为多铁性材料的进一步研究和开发奠定了基础。此外，本研究的结果还表明，Cu和N的共掺杂可能是一种有效的策略，用于改善其他多铁性材料的性能，特别是在高温和高电场环境下的应用。

本研究的创新点在于首次提出并实验验证了Cu/N共掺杂策略对GFO薄膜性能的提升作用。传统的单掺杂方法虽然在一定程度上能够改善材料的漏电流特性，但其效果有限。而通过引入两种不同类型的掺杂离子（阳离子和阴离子），我们能够更全面地调控材料的性能，从而实现更显著的改善。这种策略不仅适用于GFO薄膜，还可能拓展到其他多铁性材料的改性研究中。

此外，本研究还探讨了Cu和N共掺杂对GFO薄膜微观结构的影响。通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析，我们发现共掺杂不仅改变了材料的晶格结构，还影响了其离子分布和界面特性。这些微观结构的变化可能是导致漏电流显著降低和铁电性能增强的重要原因。因此，深入研究共掺杂对材料微观结构的影响，对于理解其宏观性能的提升机制具有重要意义。

在实际应用方面，CuN-GFO薄膜的优异性能使其在多种高技术领域具有广阔的应用前景。例如，在自旋电子学器件中，多铁性材料能够实现电场与磁场之间的相互调控，这对于开发新型多功能器件具有重要意义。此外，由于其在高温下的稳定性和较低的漏电流，CuN-GFO薄膜还可能应用于高温环境下的传感器和存储器等设备。同时，其良好的磁电耦合效应也使其在能量转换和存储技术中具有潜在价值。

本研究的结果不仅为GFO薄膜的性能优化提供了重要的实验依据，也为多铁性材料的进一步研究和开发提供了新的思路。通过引入Cu和N的共掺杂，我们成功克服了GFO薄膜中氧空位和Fe离子价态波动导致的漏电流问题，从而显著提升了其铁电性能。这种策略的提出，不仅有助于提高多铁性材料在实际应用中的可行性，也为未来的研究指明了方向。

总之，Cu/N共掺杂策略为GFO薄膜的性能提升提供了一种有效的途径。通过系统的结构、组成、磁性和铁电性能研究，我们发现这种共掺杂方法能够显著改善材料的电学性能，同时保持其磁性特性。这些结果不仅为多铁性材料的研究提供了新的视角，也为相关技术的进一步发展奠定了基础。未来的研究可以进一步探索这种共掺杂策略在其他多铁性材料中的应用，以及其在不同环境条件下的稳定性。此外，还可以通过调整掺杂比例和工艺参数，进一步优化材料的性能，以满足不同应用场景的需求。