钛酸钡铁电薄膜与钛酸钡-铁酸钴磁电薄膜的制备及性能研究

发布时间：2020-04-29 22:15

【摘要】：随着当代科学技术的飞速进步,各种新材料和新技术对传统数据储存方式产生了巨大的影响,存储器件的设计和开发过程中,便于集成和功能多样是大势所趋。因此,研究同时表现出电极化和磁极化、并可完成磁与电互相调控的磁电耦合体系,成为数据储存技术持续发展的基础,该类体系将为新型多功能数据存储器件的设计制造开放更多空间,使多铁材料的实用范畴更广,因而具有重要的科学意义和应用前景。由于铁电性和铁磁性存在对称,以及二者的电子轨道填充原则在某种意义上互相制衡,自然界中单相磁电体系相对罕见,且在应用温度区间内的磁电耦合系数很小,这严重制约了磁电体系在微电子领域的应用,而人工复合磁电体系则可以容易的达到电磁极化同时存在的状态,与单相磁电体系相比在应用方面优势更显著。因此制备择优取向甚至外延的复合磁电薄膜,并在薄膜生长过程中对其进行相含量调整和应力调控,观察不同相含量薄膜中存在的多种应力对其微观结构的作用,同时探索结构对电学、磁学以及磁电耦合性能的作用,对复合磁电薄膜在基础研究和生产实用领域均会产生十分宝贵的价值。在实验研究方面,本文选用钛酸盐系钙钛矿铁电材料和铁酸盐系铁磁材料,利用多靶射频磁控(共)溅射技术沉积取向生长的多铁复合薄膜,研究薄膜中相分散性的演变规律,揭示其微观结构与电学、磁学和磁电耦合性能之间的影响关系。本文的具体研究内容如下:(1)采用不同的磁控溅射条件,在硅(Si)单晶基体上沉积单相BaTiO3铁电薄膜,探索实验参数对薄膜微观结构和电学性能的作用。实验证明,在Pt电极和BTO膜层间加入LNO缓冲层会使薄膜的介电频散性和铁电性增强;溅射气压的升高会使薄膜的择优生长取向度提高、介电常数和铁电极化强度增大;适当的沉积温度(如500℃)可得到介电频率稳定性好、铁电耐压性好的BTO薄膜;薄膜厚度增大会使低频介电常数、居里转变温度和理论充放电能量密度增大。同时在MgO单晶基体上制备单相CoFe2O4磁性薄膜,探索退火工艺对其铁磁性能的作用,发现后续退火处理会使CFO薄膜由铁磁各向异性转变为各向同性。(2)采用不同的磁控共溅射条件,在SrTi03单晶基体上制备BaTi03-CoFe2O4磁电复合薄膜,研究制备工艺对其微观结构的作用。结果发现,基体取向按(100)(110)(111)顺序变化时,复合薄膜的介电常数和饱和磁化强度减小,铁电性表现出各向异性;与基体间存在压应力的SRO底电极上复合薄膜的择优取向度较高,LSCO底电极上薄膜的介电频率稳定性最差,LNO底电极上的复合薄膜的铁电性最好;溅射气压的升高会使复合薄膜由多晶转变为择优生长,但介电常数减小、介电损耗峰向低频移动,且铁电极化强度和压电性均减弱;沉积温度的升高会使复合薄膜趋于形成多晶结构,其介电常数减小、铁电性能变好。(3)在前期优化制备工艺条件下,制备组分相含量不同的BTO-CFO磁电复合薄膜,研究不同的相分散程度对其结构性能的作用。由扫描探针显微镜分析发现,在CFO相含量较高的复合薄膜中,BTO相均匀的分布在CFO基体中,形成了自组装的微观纳米结构。这种纳米复合薄膜显示出了明显的“介电逾渗”现象,也就是说,该复合薄膜在较广的频率区间内存在较稳定的介电常数和被抑制的介电损耗。与之形成对比的是,在CFO相含量较少的复合薄膜中,CFO相不均匀的分散在相互微弱连接的BTO基体中,这一较差的分散性导致复合薄膜在低频下介电常数增大,并且随频率增大变化十分显著。两组复合薄膜不同的“介电逾渗”效应可由空间电荷极化与“微电容器”模型之间的对抗作用来解释,并且电滞回线和漏电密度也表现出与介电频谱相同的特征。同时,复合薄膜相分散程度对其磁滞回线和磁电耦合系数也有显著改变。
【图文】：

示意图,电畴结构,示意图,电畴

于是铁电体晶胞中的电偶极矩以若千个可能的取向存在，根据取向是否一致，可逡逑将铁电晶体分成若干个更小的区域，这样的电偶极矩取向相同的小范围被称之为逡逑电畴，电畴与电畴的界面就被称作畴壁（Ｄｏｍａｉｎ邋Ｗａｌｌｐ６－２７！，如图１－３所示。作为逡逑铁电物理中的重要概念，电畴的产生是可以减小整个体系的静电能和应变能的，逡逑但与此同时又导致了畴壁能的出现，且畴壁的运动也会造成极化的变化，因此电逡逑畴和畴壁对体系稳定性的作用是双向的。故而在铁电材料中，通常很少会出现单逡逑畴状态，即整个体系的极化方向一致，因为此时对应的能量会较高，是不稳定态，逡逑所以独立铁电材料中通常会含有多个不同极化方向的电畴，至少存在１８０°畴［２８］。逡逑尽管不同电畴的极化电场取向随机分布、各不相同，但在无外场的热平衡状态下，逡逑体系内外没有宏观电场，即体系的表观净电偶极矩平衡。逡逑丨逦ｄｏｍａｉｎ邋ｗａｌｌ邋ｆ逦Ｘ邋＾逡逑１（ａ）邋ｋ－Ｋ邋ＨＶｆｂ）邋／邋／—＼逡逑图１－３电畴结构示意图（ａ）邋１８０°畴（ｂ）邋９０°畴［２４１逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｄｏｍａｉｎ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｗｉｔｈ邋（ａ）邋１８０°邋ｄｏｍａｉｎ邋ａｎｄ邋（ｂ）邋９０°邋ｄｏｍａｉｎ逡逑铁电体由于内部存在电畴而表现出极化滞后现象

晶胞结构,钛酸钡,钙钛矿

这五种多晶型的晶体对称性依次为六方、立方、四方、正交和菱方结构。除逡逑立方相外，其他结晶相都表现出铁电效应。在其居里点７ｂ（１３０°Ｃ）以上时，ＢＴＯ逡逑处于顺电状态，为标准的立方钙钛矿结构（如图１－４所示）：Ｂａ２＋处在立方体的６逡逑个顶角上，０２－处在立方体的６个面心，ＴＷ处在氧八面体的中心。高温立方相是逡逑最容易描述的，因为它由规则的角共享八面体１１０６单元组成，该八面体是由一逡逑个具有0顶点和Ｔｉ－０－Ｔｉ边组成的立方体。在立方相中，Ｂａ２＋处在立方结构的中逡逑心，，名义配位数为１２。其他较低对称性的结晶相在较低的温度时稳定存在，并逡逑涉及到Ｂａ２＋向偏心位置的移动，这种材料的显著性能来源Ｂａ２＋离子的协同行为。逡逑５逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2

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