BiFeO-,3-薄膜及器件的制備與性能研究.pdf

1、多鐵性材料是指同一相中同時(shí)具有鐵電、鐵磁、鐵彈性的兩種或兩種以上的含“鐵”特性的材料。由于這種材料中的磁電耦合效應(yīng)(能夠由電場誘發(fā)磁極化或者由磁場誘發(fā)電極化)的存在，使它在電子器件等方面具有極其廣闊的應(yīng)用前景，引起了人們的廣泛關(guān)注。在眾多的多鐵性材料當(dāng)中，BiFeO3(BFO)是最為特殊的一個(gè)，它是迄今為止唯一一個(gè)磁有序溫度和鐵電居里溫度均在室溫以上的多鐵性材料，因此BiFeO3從發(fā)現(xiàn)開始就受到了人們廣泛的關(guān)注與研究。但是BiFeO3塊

2、材和薄膜研究中都存在一個(gè)問題：由于Bi具有揮發(fā)性，合成時(shí)必須同時(shí)考慮熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上的平衡，因此很難獲得純相的BiFeO3。對(duì)BiFeO3生長條件的控制成為一個(gè)很有挑戰(zhàn)的工作。在多鐵性材料的應(yīng)用中，最具有吸引力的是多態(tài)存貯器件。然而由于BiFeO3中較大的漏電流水平，早期的研究發(fā)現(xiàn)很難在BiFeO3中到得飽和的電滯回線，這極大的限制了BiFeO3可能的應(yīng)用。另一方面從電子線路的應(yīng)用上來說，高質(zhì)量的外延鐵電異質(zhì)結(jié)也是非常需要的。本文中，我

3、們主要針對(duì)這幾個(gè)方面進(jìn)行了研究與探討。 本論文中采用脈沖激光方法制備薄膜，使用導(dǎo)電氧化物作為電極，成功制備了BiFeO3鐵電電容器。通過改變溫度與氧壓，制備了一系列樣品，研究了溫度以及氧壓對(duì)BiFeO3鐵電電容器結(jié)構(gòu)、鐵電以及漏電流的影響，結(jié)果顯示700℃以下隨著溫度的升高，薄膜的單向性越來越好；溫度保持680℃不變時(shí)，氧壓越低薄膜的單向性越好；鐵電性和漏電流測量顯示出在680℃、7Pa時(shí)制備的薄膜電滯回線趨于飽和，而且此時(shí)電容

4、垂具有最小的漏電流；我們進(jìn)一步研究了BiFeO3鐵電電容器中這種漏電流的機(jī)制。同時(shí)我們制備了幾種BiFeO3基異質(zhì)結(jié)，研究了他們的電流電壓特性，各異質(zhì)結(jié)都顯示出一定的整流效應(yīng)，并且不同方向測量時(shí)整流曲線有所偏移，我們認(rèn)為這跟BiFeO3薄膜的鐵電性相關(guān)；最后我們以La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)作為底電極，研究了不同Mn摻雜的BiFeO3鐵電電容器的鐵電和漏電性能，結(jié)果顯示，Mn摻雜極大的減小了BiFeO3薄膜的漏電流，因此使B

5、iFeO3可測量的鐵電性能明顯改善。 本文分為四章 第一章本章我們回顧了單相多鐵材料的發(fā)展歷史，對(duì)多鐵性材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類。詳細(xì)介紹了鐵電和反鐵磁共存BiFeO3的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，敘述了BiFeO3鐵電性的起源以及其復(fù)雜的磁結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步給出了BiFeO3中磁電相互作用的圖像。討論了BiFeO3的生長問題，介紹了各種常用的生長BiFeO3陶瓷以及薄膜的方法。提出了BiFeO3研究中的一些問題，并參考相關(guān)文獻(xiàn)給出了一個(gè)可能的解

6、決方法。 第二章本章我們研究了制備條件(溫度和氧壓)對(duì)BiFeO3薄膜結(jié)構(gòu)、鐵電性能以及漏電流的影響。我們利用激光脈沖沉積技術(shù)，選取(LaAlO3)0.3(Sr2AlTaO6)0.7(001)[LSAT(001)]作為襯底，以在欠氧壓環(huán)境下比較穩(wěn)定的La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)作為底電極，分別在不同的溫度和氧壓下生長了兩組BiFeO3薄膜電容器。結(jié)構(gòu)表征表明，700℃以下溫度越高薄膜的單向性越來越好；溫度保持不變時(shí)，

7、氧壓越低薄膜的單向性越好。電滯回線只能在700℃、680℃、650℃(保持氧壓為7Pa)以及5Pa、7Pa、10Pa(保持溫度為680℃)的樣品中得到，但是只有在680℃，7Pa的條件下生長的樣品顯示出飽和的電滯回線。相對(duì)于其他樣品，該樣品具有最小的漏電流密度，分析表明此時(shí)漏電流遵循Poole-Frenkel(PF)機(jī)制。所有的結(jié)果都顯示出溫度680℃左右，氧壓為7Pa-10Pa之間為BiFeO3薄膜最適合的制備條件。 第三章本

8、章我們研究了BiFeO3基鐵電異質(zhì)結(jié)。我們分別利用p型的LaNiO3(LNO)和n型的La0.05Sr0.95SnO3(LSSO)、Nb-SrTiO3(NSTO)導(dǎo)電氧化物作為電極，生長了BiFeO3基的BFO/LNO、BFO/LSSO和BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)。所有的異質(zhì)結(jié)都顯示出了一定的整流效應(yīng)，并且整流曲線隨著測量方向的不同會(huì)有所偏移，我們認(rèn)為這是由于BiFeO3中鐵電極化的翻轉(zhuǎn)造成的。從鐵電角度對(duì)BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)進(jìn)行的分析與

9、能帶分析給出的結(jié)果非常接近，說明了鐵電性對(duì)異質(zhì)結(jié)的影響。對(duì)于BFO/LNO p-p結(jié)，我們認(rèn)為整流效應(yīng)的結(jié)果來源于BFO/LNO的界面勢(shì)壘。 第四章本章我們研究了摻雜改性對(duì)BiFeO3薄膜性能的影響。我們利用脈沖激光沉積技術(shù)在(LaAlO3)0.3(Sr2AlTaO6)0.7(001)襯底上生長了BiFe1-xMnxO3(x=0～5％)外延薄膜，研究了Mn摻雜對(duì)BiFeO3薄膜結(jié)構(gòu)、鐵電特性和漏電流的影響。XRD和SEM結(jié)果表明