Bi6Fe2-xCoxTi3O18外延單晶薄膜的生長和分析表征.pdf

1、單相多鐵材料由于在多態(tài)存儲、自旋電子設備、傳感器等方面具有潛在的應用前景，因而受到大家廣泛的關注。但是，由于鐵電性和鐵磁性在電子結構上的互斥性，單相多鐵材料在自然界中非常少見。Aurivillius結構的含鉍層狀氧化物(Bi4Bin-3Fen-3Ti3O3n+3)是一種可能的室溫單相多鐵材料。人們通過對材料的摻雜改性，使得材料磁性和鐵電性都有所改善。尤其是Co元素的摻雜，使得這種材料在室溫下同時存在鐵電性和鐵磁性。但是，之前的研究主要集

2、中在陶瓷材料和多晶薄膜的研究，具有多鐵性能的外延單晶薄膜是從來沒有報道過的。由于多晶材料中可能存在雜相的影響，所以證明Aurivillius型氧化物的本征物理性能面臨很大的挑戰(zhàn)。由于單晶材料相比多晶材料在性能上可能有所提升并且可能產生新奇的物理現(xiàn)象，因此制備高質量的外延單晶薄膜很有必要。
　　本論文的內容分為六個部分（六章）:第一部分是對研究背景做了詳細的介紹;第二部分是關于樣品的制備及表征手段的介紹;第三部分是Bi6FeCoTi

3、3O18外延單晶薄膜的生長和性能的表征;第四部分是金屬緩沖層對Bi6Fe2-xCoxTi3O18單晶薄膜的生長溫度的影響;第五部分是關于Bi6FeCoTi3O18多鐵薄膜界面科學方面的研究;第六部分是結論與展望。
　　第一章中介紹了本論文研究領域的背景知識以及相關工作的研究現(xiàn)狀。首先，介紹了多鐵材料的概念、研究歷史和發(fā)展狀況，并且對磁電耦合效應、鐵電與鐵磁的互斥以及磁電耦合機制做了詳細的敘述。其次，介紹了Aurivillius型鉍

4、層狀氧化物材料的研究現(xiàn)狀以及摻雜改性的研究情況，并且對Aurivillius型鉍層狀氧化物薄膜的最新進展進行了介紹。再次，介紹了金屬氧化物界面處的靜電邊界條件和電荷屏蔽作用。接著，解釋了Aurivillius型氧化物外延單晶薄膜制備上面臨的巨大挑戰(zhàn)。最后，介紹了本論文的研究內容。
　　第二章是關于外延薄膜的制備及表征手段的介紹。首先簡單介紹了Bi6FeCoTi3O18(BFCTO)靶材的制備工藝。其次介紹了激光分子束外延(簡稱L-

5、MBE)制備外延薄膜的基本原理，包括反射式高能電子衍射(RHEED)設備的使用方法和原理。L-MBE在制備復雜氧化物單晶薄膜方面具有很大的優(yōu)勢。接著，介紹了表征薄膜結構的手段，包括原子力顯微鏡(AFM)、X射線衍射(XRD)、掃描透射電子顯微鏡(STEM)。最后，介紹了物理性能的表征手段，其中包括綜合物性測量系統(tǒng)(PPMS)、超導量子干涉器件(SQUID)。
　　第三章介紹我們利用L-MBE設備在(LaAlO3)0.3(Sr2Al

6、TaO6)0.7(LSAT)襯底上成功制備了高質量的BFCTO外延單晶薄膜。接著，我們通過改變生長溫度和生長氧壓對薄膜的生長條件做了系統(tǒng)的研究。研究發(fā)現(xiàn)薄膜的生長條件窗口非常的小。當溫度過高或者氧壓過低時，薄膜會出現(xiàn)層數的降低并且有雜相產生。然而，當溫度過低或者氧壓過高時，BFCTO薄膜的結晶性下降，表面粗糙。我們對高溫下生長的薄膜的雜相進行了研究，發(fā)現(xiàn)雜相有很強的磁性。此外，我們對薄膜的鐵電性能和鐵磁性能做了表征，實驗結果顯示薄膜在室

7、溫下同時具備鐵電性和鐵磁性。
　　第四章中我們分別在LSAT襯底和帶有LaNiO3(LNO)底電極的LSAT襯底上生長了BFCTO薄膜。我們發(fā)現(xiàn)兩種界面上最優(yōu)生長溫度有很大的差異。隨后，我們在最優(yōu)條件附近生長了一系列薄膜，驗證了溫度差異的真實性。接著，我們設計了實驗證實了生長溫度差異與界面的導電性有關。最后我們對產生溫度差異的原因進行了初步的討論。
　　第五章我們研究了界面對于薄膜質量的影響。我們分別在LNO/LSAT界面和

8、LSAT界面生長了BFCTO薄膜，結果發(fā)現(xiàn)在LNO上生長的BFCTO薄膜的質量比較高。隨后，我們利用掃描透射電鏡對兩種薄膜進行了表征，結果發(fā)現(xiàn)兩種薄膜的界面存在很大差異，在LNO/LSAT上生長的薄膜的界面比較清晰和均一，而LSAT上生長的薄膜界面比較混亂，并且我們發(fā)現(xiàn)界面的差別主要是由LNO的電荷屏蔽效應引起的。最后，我們對在LNO上生長的BFCTO薄膜的鐵磁性和鐵電性進行了表征。
　　第六章是我們對全文工作的總結以及對研究工作