多铁性纳米材料的制备与结构表征

发布时间：2017-08-21 01:32

  本文关键词：多铁性纳米材料的制备与结构表征

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【摘要】：人类社会步入信息化时代以来,信息数据量以指数倍增长,要求现在的存储器设备要具有高密度、低功耗、易携带和多功能等的特点。多铁性材料可以同时具备极化和磁化两种铁性,可以实现多态存储器。而现有的铁电存储器和铁磁存储器都存在各自的缺陷,通过磁电耦合效应制备的新型多铁存储器,可以解决现有的铁电与铁磁存储器中存在的问题,满足未来存储器的要求,从而引起了大家的广泛关注。但由于单相多铁性材料在室温下很难存在强的磁电耦合效应,目前学术界主要关注磁电复合材料。现存的磁电复合材料复合的形式主要有两种形式:2-2结构多层异质薄膜和1-3结构的垂直异质薄膜。2-2结构由于受到衬底钳制的作用,磁电耦合效率较小。1-3结构具有小的长宽比,解决了衬底钳制作用,但1-3结构的生长过程属于自组装的生长,薄膜的制备还存在较多问题。本文针对上述问题通过两种不同的研究思路分别从材料的结构设计出发制备了新型的磁电耦合结构并对其相关特性做了表征。(1)针对2-2结构存在的问题,通过转移方式,在Si衬底上制备了新型结构的多铁单晶CFO-BTO纳米复合薄膜,减小了衬底钳制的作用。对比研究了c面蓝宝石和STO衬底上外延生长MgO薄膜,发现相对与c面蓝宝石上外延的(111)面MgO薄膜,STO上生长的(001)面MgO薄膜表面较为平坦,所以选择在STO上外延生长的(001)面MgO薄膜作为后续薄膜的缓冲层。然后在MgO薄膜上继续沉积上(004)面CFO薄膜,其RMS仅为0.19nm。再通过腐蚀MgO薄膜,将单晶的CFO薄膜转移到Si衬底上。转移的单晶CFO可低至2nm,且表面平坦,从而为制备新型准二维功能氧化物薄膜提供了一种有效的实验参考思路。后续研究还发现转移后的单晶(004)面CFO薄膜受到衬底的影响减小。在CFO/Si结构上外延(200)面BTO薄膜,改变BTO的晶体结构,发现CFO薄膜的磁性发生改变,说明新型BTO/CFO/Si结构具有磁电耦合特性。本文通过这个简单有效方式,实现了在Si上制备多铁单晶磁电材料的想法。(2)针对1-3结构的复合材料,本文使用PLD加借助AAO模板,制备了高度有序核壳的多铁CFO-BFO纳米复合阵列。通过改变AAO模板孔径的大小,研究了CFO-BFO纳米复合阵列的生长过程及其磁电特性。通过对原先(002)面STO衬底的处理,得到具有原子级台阶的STO衬底,再通过改变氧化条件,制备不同尺寸大小的多孔纳米复合掩模(AAO),结合衬底转移和PLD得到CFO-BFO纳米复合阵列。发现在不同AAO约束下,复合结构的形貌是完全不同。在使用磷酸-AAO模板时,纳米岛表面形貌是一些纳米柱结构,与1-3结构相似。当AAO模板减小到70nm时,之前多个CFO纳米柱逐渐融合成单一的纳米柱,从而形成了核壳结构的CFO-BFO纳米复合结构点阵。同时我们还通过PFM技术研究CFO-BFO纳米复合阵列的铁电特性,发现核壳结构的中心为CFO,边缘为BFO基体。且CFO-BFO纳米阵列之间存在一定的应力引起的磁电耦合效应。本文通过制备新型的磁电复合结构,改善了传统磁电耦合结构存在的问题,为提高磁电耦合效应,开发新型磁电耦合的原型存储器件供了实验参考。
【关键词】：存储器 磁电耦合 PLD 纳米阵列 AAO
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;TP333;O484.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 符号对照表13-14
• 缩略语对照表14-17
• 第一章 多铁性材料的研究进展17-29
• 1.1 磁电效应和多铁性的介绍17-18
• 1.2 历史回顾18-19
• 1.3 铁电体和铁磁体的复合形式和工作原理19-22
• 1.4 CoFe_2O_4、BiFeO_3和BaTiO_3铁磁铁电材料介绍22-24
• 1.4.1 AB_2O_4型尖晶石结构铁磁材料—铁酸钴（CoFe_2O_4）22
• 1.4.2 ABO_3型钙钛矿结构铁电材料—钛酸钡（BaTiO_3）22-23
• 1.4.3 ABO_3型钙钛矿结构铁电材料--铁酸铋（BiFeO_3）23-24
• 1.4.4 磁电材料复合形式和存在的问题24
• 1.5 磁电耦合效应的研究进展24-25
• 1.6 磁电耦合效应的应用前景25-27
• 1.6.1 磁电存储器25-26
• 1.6.2 多态存储器26-27
• 1.7 本文研究的主要内容27-29
• 第二章 脉冲激光沉积系统和测试设备介绍29-39
• 2.1 脉冲激光沉积系统介绍29-34
• 2.1.1 PLD设备结构和工作原理介绍29-34
• 2.1.2 PLD系统的优点及其应用34
• 2.2 材料表征与测试技术34-36
• 2.2.1 X射线衍射（XRD）34-35
• 2.2.2 原子力显微镜（AFM）35-36
• 2.3 其它测试和表征设备36-37
• 2.4 本章小结37-39
• 第三章 自支撑多铁单晶CoFe_2O_4-BaTiO_3纳米复合薄膜的制备及表征39-65
• 3.1 牺牲层氧化镁（MgO）薄膜制备39-49
• 3.1.1 c面蓝宝石上生长MgO39-46
• 3.1.2（002）面钛酸锶（SrTiO_3)上生长MgO薄膜46-48
• 3.1.3 比较不同衬底下生长的MgO薄膜48-49
• 3.2 自支撑多铁单晶CFO-BTO薄膜的制备49-63
• 3.2.1 实验流程50-51
• 3.2.2 CFO薄膜的制备和研究51-52
• 3.2.3 自支撑的CFO薄膜制备52-57
• 3.2.4 自支撑BTO薄膜的制备和研究57-63
• 3.3 本章小结63-65
• 第四章 有序核壳结构的多铁CoFe_2O_4-BiFeO_3纳米复合阵列制备及表征65-79
• 4.1 （002）面STO衬底处理66-68
• 4.1.1 实验部分67
• 4.1.2 数据分析67-68
• 4.2 阳极氧化铝模板的制备与转移68-72
• 4.2.1 实验部分69-71
• 4.2.2 数据分析71-72
• 4.3 有序且不同尺寸的CFO-BFO纳米岛的制备72-78
• 4.3.1 实验部分72-73
• 4.3.2 结果与讨论73-78
• 4.4 本章小结78-79
• 第五章 总结与展望79-81
• 5.1 总结79-80
• 5.2 展望80-81
• 参考文献81-87
• 致谢87-89
• 作者简介89-91

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本文编号：710084