摻雜LiNbO3薄膜制備及鐵電鐵磁性能研究.pdf

1、隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展,集鐵電性與鐵磁性于一體的單相多鐵材料受到人們的廣泛關(guān)注,其在多態(tài)存儲(chǔ)元件、自旋電子器件、存儲(chǔ)介質(zhì)、換能器、傳感器和多功能設(shè)備等方面有重要的潛在應(yīng)用。本文利用射頻磁控濺射的方法,在Si(111)和Si(100)基片上制備了不同濃度、不同退火氣氛的Fe、Co、Mn摻雜LiNbO3薄膜,研究了不同摻雜元素、摻雜濃度、濺射氣氛的氧氬比和退火氣氛對(duì)薄膜鐵電性和鐵磁性的影響。利用x射線能譜儀(EDS)、X射線衍射儀(XRD)

2、、X射線光電子能譜儀(XPS)和X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(XAFS)技術(shù)對(duì)薄膜的組分含量、晶體結(jié)構(gòu)、物相、元素價(jià)態(tài)和吸收原子的局域結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)和多功能物理測(cè)試系統(tǒng)(PPMS)對(duì)薄膜進(jìn)行鐵磁性能測(cè)量,TF2000鐵電分析儀和阻抗分析儀對(duì)薄膜進(jìn)行鐵電性測(cè)量,獲得研究結(jié)果如下:
　　 1.Fe摻雜LiNbO3薄膜為R3C空間結(jié)構(gòu),薄膜中存在氧空位。Fe在薄膜中主要以Fe2+和Fe3+形式共存,沒有形成Fe金屬

3、和氧化物團(tuán)簇。在Si(111)基片上,薄膜中Fe含量從3at％到7at％時(shí),飽和磁矩隨著Fe含量的增加而增大,在7at％時(shí)最大,為196emu/cm3。Fe含量增加到8.5at％時(shí),飽和磁矩降低,繼續(xù)增加Fe含量到11.5at％時(shí),飽和磁矩又有所增加。在Si(100)基片上,7at％Fe摻雜LiNbO3薄膜分別經(jīng)過氬氣、空氣和氧氣退火后,在空氣下退火得到的飽和磁化強(qiáng)度最大,約為31emu/cm3。7at％Fe摻雜LiNbO3薄膜的剩余極

4、化強(qiáng)度為3.8×10-5μC/cm2,矯頑電場(chǎng)為25Kv/cm,鐵電居里溫度為630K。薄膜的磁性來源于不同占位的Fe3+之間的超交換作用以及Fe2+-O2--Fe3+的雙交換作用。
　　 2.Mn摻雜LiNbO3薄膜為R3C空間結(jié)構(gòu),薄膜中存在氧空位。Mn在薄膜中主要以Mn2+和Mn3+形式共存,并沒有形成Mn金屬或氧化物團(tuán)簇。在si(111)基片上沉積的Mn摻雜LiNbO3薄膜,當(dāng)Mn含量從1.5at％到2.5at％時(shí),薄膜

5、的飽和磁矩隨Mn含量的增加而增大,在2.5at％時(shí)最大,為28emu/cm3。3.5at％Mn摻雜LiNbO3薄膜經(jīng)過氬氣、空氣和氧氣退火后,在空氣下退火得到飽和磁矩最大,為24emu/cm3。在Si(100)基片上,當(dāng)Mn的摻雜濃度從1.5at％到3.5at％時(shí),薄膜的飽和磁矩隨Mn摻雜量的增加而增大,在3.5at％時(shí)最大,接近41emu/cm3。3.5at％Mn摻雜的薄膜經(jīng)過氬氣、空氣和氧氣退火后,在空氣下退火得到最大飽和磁矩。8a

6、t％Mn摻雜LiNbO3薄膜的剩余極化強(qiáng)度(Pr)為0.002μC/cm2,矯頑電場(chǎng)(Ec)為29Kv/cm,鐵電居里溫度為686K。薄膜的磁性來源于Mn的3d和鄰近Nb的4d軌道間的耦合以及不同價(jià)態(tài)Mn間的雙交換作用。
　　 3.Co摻雜LiNbO3薄膜為R3C空間結(jié)構(gòu)。薄膜中存在氧空位。Co在薄膜中主要是以Co2+和Co3+形式存在,并沒有形成Co金屬或氧化物團(tuán)簇。在Si(111)基片上,當(dāng)Co含量從5at％到7.5at％時(shí)

7、,薄膜的飽和磁矩隨Co含量的增加而增大,在7.5at％時(shí)最大,為51emu/cm3,繼續(xù)增加到14at％時(shí),薄膜的飽和磁矩降低。5at％Co摻雜的薄膜經(jīng)過氬氣、空氣和氧氣下退火后,在空氣下退火的飽和磁矩最大,為45emu/cm3。7.5at％Co摻雜LiNbO3薄膜的鐵磁居里溫度為630K。在Si(100)基片上,當(dāng)Co含量從5at％增加到8.5at％時(shí),薄膜的飽和磁矩隨Co含量的增加而增大,在8.5at％時(shí)最大,為33emu/cm3,