鐵磁性薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[000? ]本發(fā)明屬于功能材料領(lǐng)域，具體涉及一種尖晶石型四方相CuFe204鐵磁性薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]尖晶石型鐵氧體屬于一種多功能半導(dǎo)體材料，尤其是一種重要的磁性材料。尖晶石型鐵氧體的薄膜在光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)等眾多方面展現(xiàn)出許多新型的特性。所以對(duì)尖晶石型鐵磁性薄膜的深入研究和對(duì)其開發(fā)利用具有相當(dāng)重要的意義。
[0003]具有這種結(jié)構(gòu)的尖晶石型鐵氧體是從自然界的一種礦物MgAl2O4之中得來(lái)，這是一種按立方晶系結(jié)晶的礦物。這種尖晶石晶體的結(jié)構(gòu)最開始是由Bragg(布喇格)和Nishikawa所確定的。這一類型尖晶石型鐵氧體是以立方晶系結(jié)構(gòu)構(gòu)成的一種晶體，它的化學(xué)分子通式是MeFe2O4,其中Me代表二價(jià)金屬離子，Me可以是Co2+、Ni2+、Zn2+等離子。這其中鐵是三價(jià)離子，同樣鐵離子也可以被其它如Cr3+、A13+等三價(jià)金屬離子所取代。按照晶體結(jié)構(gòu)化學(xué)理論，在鐵酸銅晶體結(jié)構(gòu)中Cu2+主要占據(jù)八面體位置，可以用Fe [ CuFe ] O4來(lái)表達(dá)。
[0004]目前，并沒(méi)有采用溶膠-凝膠法制備尖晶石型四方相CuFe2O4鐵磁性薄膜的相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種尖晶石型四方相CuFe2O4鐵磁性薄膜及其制備方法，該方法能夠制備出具有優(yōu)異強(qiáng)鐵磁性能的CuFe2O4晶態(tài)薄膜。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種尖晶石型四方相CuFe2O4鐵磁性薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1:將硝酸銅和硝酸鐵按摩爾比為1: 2溶于乙二醇甲醚中，攪拌均勻后再加入醋酸酐，得到CuFe2O4前驅(qū)液；
[0009]步驟2:采用旋涂法在基片上旋涂CuFe2O4前驅(qū)液，得CuFe2O4濕膜，CuFe2O4濕膜經(jīng)勻膠后在250?300 °C下烘烤得干膜，再于600?750 °C下在空氣中退火，得到晶態(tài)CuFe2O4薄膜；
[0010]步驟3:待晶態(tài)CuFe2O4薄膜冷卻后，在晶態(tài)CuFe2O4薄膜上重復(fù)步驟2，直至達(dá)到所需厚度，得到尖晶石型四方相CuFe2O4鐵磁性薄膜。
[0011 ] 所述的CuFe2O4前驅(qū)液中乙二醇甲醚和醋酸酐的體積比為(3.5?4.5):1, CuFe2O4前驅(qū)液中Fe離子的濃度為0.3?0.5mol/L。
[0012]所述步驟2在進(jìn)行前，先將基片表面清洗干凈，然后在紫外光下照射處理，使基片表面達(dá)到原子清潔度。
[0013]所述的基片為FTO/玻璃基片、Si基片、SrT13單晶基片或LaN13單晶基片。
[0014]所述步驟2中勻膠時(shí)的勻膠轉(zhuǎn)速為4200?4500r/min，勻膠時(shí)間為7?10s。
[0015]所述步驟2中勻膠后的烘烤時(shí)間為1?15min。
[0016]所述步驟2中的退火時(shí)間為25?30min。
[0017]所述的尖晶石型四方相CuFe2O4鐵磁性薄膜由10?15層晶態(tài)CuFe2O4薄膜構(gòu)成。
[0018]所述的尖晶石型四方相CuFe2O4鐵磁性薄膜的制備方法制得的尖晶石型四方相CuFe2O4鐵磁性薄膜，該薄膜的結(jié)構(gòu)式為CuFe2O4,其結(jié)構(gòu)為四方相的尖晶石結(jié)構(gòu)，空間點(diǎn)群為I4i/amd(141)。
[00?9] 該薄膜的飽和磁化強(qiáng)度Ms = I 1emu/cm3，剩余磁化強(qiáng)度Mr = 71emu/cm3，矯頑力Hc =8100eo
[0020]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0021]1.目前用于制備CuFe2O4薄膜的方法很多，如機(jī)械化學(xué)合成法、化學(xué)共沉淀法、溶膠-凝膠法(Sol-Gel)、水熱法、前驅(qū)物固相反應(yīng)法等。相比其他方法，Sol-Gel方法由于設(shè)備簡(jiǎn)單，反應(yīng)容易進(jìn)行，反應(yīng)溫度較低，易操作，適宜在大的表面和形狀不規(guī)則的表面上制備薄膜，易實(shí)現(xiàn)分子水平上的均勻摻雜，以及化學(xué)組分精確可控等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用來(lái)制備鐵電材料。本發(fā)明采用溶膠-凝膠法，因?yàn)槿苣z-凝膠法制備過(guò)程中沒(méi)有機(jī)械混合，不易引入雜質(zhì)，產(chǎn)物純度高，而且利用此方法可以實(shí)現(xiàn)分子水平的混合，因此體系均勻性好，更加容易制備出性能優(yōu)異的CuFe2O4強(qiáng)磁性薄膜。本發(fā)明中采用溶膠凝膠法，先按比例混合硝酸銅和硝酸鐵，配制成CuFe2O4前驅(qū)液，再用旋涂法和逐層退火的工藝在基片上制備出致密度高，晶粒尺寸均勻的尖晶石型四方相CuFe2O4鐵磁性薄膜，且制得的尖晶石型四方相CuFe2O4鐵磁性薄膜具有優(yōu)異的強(qiáng)鐵磁性能。
[0022]2.本發(fā)明提供的尖晶石型四方相CuFe2O4鐵磁性薄膜表面平整，晶粒尺寸較小，該薄膜為尖晶石結(jié)構(gòu)，四方相，空間點(diǎn)群為Mi/amcKHl)，其特點(diǎn)是飽和磁化強(qiáng)度、剩余磁化強(qiáng)度和矯頑力較大。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是本發(fā)明實(shí)施例2制備的CuFe2O4薄膜的XRD圖；
[0024]圖2是本發(fā)明實(shí)施例2制備的CuFe2O4薄膜的拉曼圖譜；
[0025]圖3是本發(fā)明實(shí)施例2制備的CuFe2O4薄膜的SEM圖；
[0026]圖4是本發(fā)明實(shí)施例2制備的CuFe2O4薄膜的磁滯回線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合本發(fā)明較優(yōu)的實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0028]實(shí)施例1
[0029]步驟I，將硝酸銅和硝酸鐵按摩爾比為1: 2溶于乙二醇甲醚中，攪拌30min后，再加入醋酸酐，得到Fe離子濃度為0.3mol/L的穩(wěn)定的CuFe2O4前驅(qū)液，CuFe2O4前驅(qū)液中乙二醇甲醚和醋酸酐的體積比為4:1;
[0030]步驟2，將FTO/玻璃基片依次置于洗滌劑、丙酮、乙醇中超聲波清洗，每次超聲波清洗1min后用大量蒸餾水沖洗FTO/玻璃基片，最后用氮?dú)獯蹈?。然后將FTO/玻璃基片放入烘箱烘烤至干燥，取出靜置至室溫。再將潔凈的FTO/玻璃基片置于紫外光照射儀中照射40min，使FTO/玻璃基片表面達(dá)到“原子清潔度”。采用旋涂法在FTO/玻璃基片上旋涂CuFe2O4前驅(qū)液，制備CuFe2O4濕膜，對(duì)CuFe2O4濕膜勻膠，勻膠轉(zhuǎn)速為4200r/min，勻膠時(shí)間為1s，勻膠結(jié)束后，在290°C溫度下烘烤Ilmin得干膜，再在600°C溫度下空氣中層層退火30min，得到晶態(tài)CuFe204薄膜；
[0031]步驟3，待晶態(tài)CuFe2O4薄膜冷卻后，在晶態(tài)CuFe2O4薄膜上重復(fù)步驟2，重復(fù)9次，得到尖晶石型四方相CuFe2O4鐵磁性薄膜。
[0032]采用X-射線衍射儀及拉曼光譜儀測(cè)定CuFe2O4鐵磁性薄膜的物相組成和結(jié)構(gòu)；用FE-SEM測(cè)定CuFe2O4鐵磁性薄膜的微觀形貌；用SQUID MPMS-XL-7測(cè)試CuFe2O4薄膜室溫下的鐵磁性能。
[0033]實(shí)施例2
[0034]步驟I，將硝酸銅和硝酸鐵按摩爾比為1: 2溶于乙二醇甲醚中，攪拌30min后，再加入醋酸酐，得到Fe離子濃度為0.3mol/L的穩(wěn)定的CuFe2O4前驅(qū)液，CuFe2O4前驅(qū)液中乙二醇甲醚和醋酸酐的體積比為4:1;
[0035]步驟2，將FTO/玻璃基片依次置于洗滌劑、丙酮、乙醇中超聲波清洗，每次超聲波清洗1min后用大量蒸餾水沖洗FTO/玻璃基片，最后用氮?dú)獯蹈?。然后將FTO/玻璃基片放入烘箱烘烤至干燥，取出靜置至室溫。再將潔凈的FTO/玻璃基片置于紫外光照射儀中照射40min，使FTO/玻璃基片表面達(dá)到“原子清潔度”。采用旋涂法在FTO/玻璃基片上旋涂CuFe2O4前驅(qū)液，制備CuFe2O4濕膜，對(duì)CuFe2O4濕膜勻膠，勻膠轉(zhuǎn)速為4200r/min，勻膠時(shí)間為1s，勻膠結(jié)束后，在250°C溫度下烘烤12min得干膜，再在620°C溫度下空氣中層層退火29min，得到晶態(tài)CuFe204薄膜；
[0036]步驟3，待晶態(tài)CuFe2O4薄膜冷卻后，在晶態(tài)CuFe2O4薄膜上重復(fù)步驟2，重復(fù)12次，得到尖晶石型四方相CuFe2O4鐵磁性薄膜。
[0037]采用X-射線衍射儀及拉曼光譜儀測(cè)定CuFe2O4鐵磁性薄膜的物相組成和結(jié)構(gòu)；用FE-SEM測(cè)定CuFe2O4鐵磁性薄膜的微觀形貌；用SQUID MPMS-XL-7測(cè)試CuFe2O4鐵磁性薄膜室溫下的鐵磁性能，測(cè)得其飽和磁化強(qiáng)度Ms = IlOemu/cm3，剩余磁化強(qiáng)度Mr = 71 emu/cm3，矯頑力 Hc = 8100e。
[0038]實(shí)施例3
[0039]步驟I，將硝酸銅和硝酸鐵按摩爾比為1: 2溶于乙二醇甲醚中，攪拌35min后，再加入醋酸酐，得到Fe離子濃度為0.35mol/L的穩(wěn)定的CuFe2O4前驅(qū)液，CuFe2O4前驅(qū)液中乙二醇甲醚和醋酸酐的體積比為3.5:1；
[0040]步驟2，將Si基片依次置于洗滌劑、丙酮、乙醇中超聲波清洗，每次超聲波清洗1min后用大量蒸餾水沖洗Si基片，最后用氮?dú)獯蹈?。然后將Si基片放入烘箱烘烤至干燥，取出靜置至室溫。再將潔凈的Si基片置于紫外光照射儀中照射40min，使Si基片表面達(dá)到“原子清潔度”。采用旋涂法在Si基片上旋涂CuFe2O4前驅(qū)液，制備CuFe2O4濕膜，對(duì)CuFe2O4濕膜勻膠，勻膠轉(zhuǎn)速為4300r/min，勻膠時(shí)間為9s，勻膠結(jié)束后，在260°C溫度下烘烤15min得干膜，再在640 °C溫度下空氣中層層退火28min，得到晶態(tài)CuFe204薄膜；
[0041]步驟3，待晶態(tài)CuFe2O4薄膜冷卻后，在晶態(tài)CuFe2O4薄膜上重復(fù)步驟2，重復(fù)14次，得到尖晶石型四方相CuFe2O4鐵磁性薄膜。
[0042]采用X-射線衍射儀及拉曼光譜儀測(cè)定CuFe2O4鐵磁性薄膜的物相組成和結(jié)構(gòu)；用FE-SEM測(cè)定CuFe2O4鐵磁性薄膜的微觀形貌；用SQUID MPMS-XL-7測(cè)試CuFe2O4薄膜室溫下的鐵磁性能。
[0043]實(shí)施例4
[0044]步驟I，將硝酸銅和硝酸鐵按摩爾比為1:2溶于乙二醇甲醚中，攪拌40min