铁酸铋基薄膜磁电效应、光伏效应及其对阻变特性的调控研究

发布时间：2020-11-15 20:55

　　 一直以来,多铁性材料由于同时具有两种或者两种以上铁性序参量(如铁电、铁磁、铁弹等)以及各种序参量之间的相互耦合作用(如磁电耦合效应),而在信息存储器件、多功能微电子器件以及传感器等新型电子器件领域有着广阔的应用前景。近年来,随着科学的发展与技术的进步,多铁性材料潜在的物理特性被人们再次挖掘,比如电阻开关效应,铁电光伏效应等。这些物理特性与多铁性之间通过耦合作用为实现多场调控、高性能器件的设计以及微电子器件的多功能化、微型化提供了新的角度。本论文以单相多铁材料中具有代表性的铁酸铋基薄膜为研究对象,首先研究了外磁场作用下薄膜的磁电耦合性质变化及其调控,然后研究了薄膜的铁电光伏效应及其对阻变特性的调控,实现了电场和光场共同激励下的多态阻变行为。论文的主要研究内容和结果如下:采用溶胶-凝胶法,并结合磁控溅射技术,在Pt/Ti/SiO_2/Si衬底上成功制备了多晶的Co/Bi_(0.9)La_(0.1)Fe_(0.95)Mn_(0.05)O_3复合薄膜,复合薄膜的宏观漏电流相比单相的BiFeO_3得到很大改善并呈现出良好的室温铁电性与铁磁性。测量了复合薄膜电滞回线随外加磁场的变化情况,发现磁场对铁电极化有调控作用,随着磁场的增大,饱和极化强度逐渐减小,对复合薄膜剩余极化的抑制率在1000 Oe时可达～16%。进一步测量了复合薄膜在不同磁场下的I-V曲线,发现随着外磁场的增加,复合薄膜的电阻随之增大,即磁电阻变大。最后测量了复合薄膜的电阻开关特性,发现随着外加磁场的增加,电阻开关场在阻变过程中都有一定程度的增大。对于以上物理现象,我们认为Co磁性层在磁场作用下发生磁致伸缩,产生的应力传递给铁电层后抑制了铁电畴的翻转,从而抑制了铁电极化;在一定的偏压下,薄膜的电导过程由晶界和铁电畴共同主导,由于晶界处的电导在小偏压下很快饱和,所以随着偏压的增大,薄膜的电导过程主要由铁电畴主导,当铁电畴被完全翻转,整个晶粒才变得完全导电,但是由于外加磁场抑制了复合薄膜中铁电畴的翻转,进而抑制了其电导过程,导致导电通道的形成变得艰难。采用溶胶-凝胶工艺在Pt/Ti/SiO_2/Si衬底上成功制备了多晶BiFeO_3薄膜,薄膜呈现出较好的铁电性。对薄膜的铁电光伏效应进行了测量,得到薄膜的开路电压V_(oc)=0.28V和短路电流密度J_(sc)=6.83 μA/cm~2,同时观测到薄膜呈现出典型的单极型电阻开关特性。通过对薄膜的电导机制分析,我们认为薄膜的阻变过程主要源于薄膜中导电通道的形成与断裂。进一步地,在测量阻变特性的同时,我们引入光照,发现在低阻态下,无论有无入射光照,薄膜的电阻都没有明显变化;而在高阻态下,在光照时可导致阻值降低近两个数量级,由此实现了薄膜的三态阻变效应。这种效应主要源于以下物理机制:在光照条件下,薄膜产生光伏效应,在低阻态下薄膜由于呈现出金属电导机制,光伏效应导致的光电流相比薄膜本身的电流非常微弱,因此光照对阻态基本没有影响;而在高阻态下,薄膜由于呈现出半导体电导机制,光伏效应导致的光电流与薄膜本身的电流处在同一量级,因此在光照下会产生新的光阻态。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ135.32;TB383.2
【部分图文】：

钙钛矿型单相多铁性材料，其优点主要在于具有很高的铁电居里温度??（Ｔｃ？１１０３Ｋ）和奈尔温度（Ｔｎ？６４３Ｋ）［１１］。室温下ＢｉＦｅ０３属于三方晶系，空间群是??Ｒ３ｃ，具有立方结构，其晶格常数不同的报道有不同的数据，如图１．２（ａ）所示，??Ｆｉｅｂｉｇ等测得的结果其晶格常数为ａ＝ｂ＝ｃ＝５．６３Ａ，键角ａ＝Ｐ＝ｙ＝５９．４°，电极化方??向沿着立方晶胞的［１１１］方向，如图１．２（ｂ）所示［１２，?１３］。三方钙钛矿结构由立方??结构沿（１１１）方向拉伸而成，沿此方向Ｂｉ３＋相对Ｆｅ－０八面体位移，使晶体结构??变得不均匀，自旋沿（１１０）面排列成螺旋结构，周期约为６０ｎｍ。由于螺旋磁结??２??

它如果用于信息存储中将同时具有磁存储和铁电存储的优点，能够大大推动电??子器件小型化和多功能化的发展，从而在未来的科技发展中占据举足轻重的地??位。图１．４给出的是四态磁电随机存储器件示意图，该器件总共由上中下三部分??组成，顶部是磁性自由层，磁矩可以自由翻转，中间是金属间隔层或者隧道势??垒层，底部是多铁层，同时存在铁电序和铁磁序，该层的铁电极化可以上下翻??转，分别记为土Ｐ，但是磁矩是不可以翻转的。当磁性自由层的磁矩与多铁层的??磁矩平行时电阻较小，记为ｒ，反平行时电阻较大，记为Ｒ。通过翻转磁性自由??层的磁矩和多铁层的铁电极化，就可以出现四种状态，即（ｒ，－Ｐ）、（ｒ，＋Ｐ）、（Ｒ，??－Ｐ）和（Ｒ，＋Ｐ）［２１］。??当然，多铁性材料的研究不仅仅限于磁电效应，随着科学的进步与技术的??发展

（ｃ）?２—２?（ｄ）?３—３??图１．３四种常见的复合多铁材料结构示意图，（ａ）０－３颗粒型；（ｂ）ｌ－３圆柱型；（ｃ）２－２薄片型；??（ｄ）?３－３?扶梯型［１５］。??１．０多铁性材料的应用??目前人们研宄最多的多铁性材料是铁电性与磁性共存的材料，也就是磁电??材料。我们已经知道磁性材料由于其自发极化可以随外加磁场翻转而标记逻辑??单元的“０”和“ｒ［１８］，因而铁磁性材料被广泛的应用在信息存储和电子学器件中，??在现代科技中具有及其重要的地位；同铁磁材料一样，铁电材料也可以用于信??息存储，基于铁电材料的铁电随机存储器由于其具有非易失性和读取速度快等??优点而具有很大的应用前景［１９，?２０］；多铁性材料同时具有磁有序和铁电有序，??它如果用于信息存储中将同时具有磁存储和铁电存储的优点，能够大大推动电??子器件小型化和多功能化的发展，从而在未来的科技发展中占据举足轻重的地??位。图１．４给出的是四态磁电随机存储器件示意图
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本文编号：2885195