铁酸镓薄膜生长与物性研究

发布时间：2020-05-12 18:25

【摘要】：多铁材料在一定的温度下可以发生自发极化和自发磁化,正是这两种现象的共同存在,使得这种材料可以引发磁电耦合效应。所谓磁电耦合效应,指的是该材料的磁性可以通过内部施加的电场进行控制,电性能又能通过施加外部磁场进行转化。现代科技进展迅猛,器件的微型化和多功能化正在经历日新月异的变化,多铁材料因其优越的性能特征越来越受到科学研究者的关注和青睐。目前,多铁材料的研究已经有很不错的发展,业界也取得了不少卓越的成果,但是绝大多数的多铁材料的磁转变温度还是低于室温,这一现象大大的限制了多铁材料在多功能器件中的实际应用。GaFeO3(GFO)是一种在其基态就可以展现反铁磁性行为和铁磁性行为的多铁材料,众多的研究工作者将工作集中在如何提高材料的磁相变温度上。多铁材料的耦合特性带来的单一铁性材料所没有的物理效应,大大地扩大了铁酸镓半导体材料在电子器件领域的应用范围,成为现今和未来的热门研究领域。本文的研究内容和结果如下:本文用经典的固相法制作了 Ga2-xFexO3 x从0.7到1.3的粉末样品,系统地研究了其结构特性、光学特性和磁学特性。EDS的结果表明,可以通过调整氧化铁粉末含量来获得GFO粉末中Fe的含量,这对未来器件的设计有重要的意义。粉末Fe2O3与Ga2O3混合烧结制备铁酸镓样品,GaFeO3从相极化看,单向形成在1:1左右。XRD光谱和FULLPROF profile拟合表明,GFO粉末样品属于空间群为Pc21n的正交晶系,实际晶格常数随着Fe3+的增加而增大。随着铁含量的增加,光带隙减小,这意味着通过调整样品中Fe的含量,可以控制GFO带隙。与此同时,磁性性能测量表明,GaFeO3是铁磁体,可以通过增加Fe含量来增强磁性,并且本文中的磁性与以往文献对比有所提高,这对铁磁半导体的应用至关重要。通过制备Fe掺杂的Ga2O3样品(Ga2-xFexO3,x=0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,0.30),系统地研究了其晶体结构、光学特性,并将粉末样品压片成型,制成靶材,用磁控溅射技术制备了不同氧压和不同掺杂浓度下x=1.0,1.5和2.0的薄膜样品。测试结果表明,掺铁的氧化镓薄膜的结构和状态会随着氧压和掺杂浓度的改变而改变,表现出择优生长的特性,生长沿着(-2h 0 h)方向。
【图文】：

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逡逑如图１－１为ＧａＦｅ０３的晶体结构示意图。氧原子与Ｆｅｌ，邋Ｆｅ２，邋Ｇａ２形成扭曲的八逡逑面体，而Ｇａｌ位置被规则的氧四面体所包围［９］。逡逑Ｆ｜ｆｆ逡逑Ｉ％！１逡逑ｃ－－＾：－§ｍ：％逡逑图１－１邋ＧａＦｅ０３的晶体结构示意图逡逑铁酸镓包含四种不同的原子占位，理论和实验上均已证实，四个不同位置占逡逑位的混乱是诱导磁性的原因之一。传统的钙钛矿结构仅仅具有一般的铁电性能，逡逑而ＧａＦｅ０３独特的物理结构使其与传统的钙钛矿结构材料明显区分开来，成为近逡逑年来备受瞩目的多铁材料。原子占位混乱引起磁性，这一点不仅在理论分析上被逡逑预测，在实验上也被发现和证明。原子位置的混乱引起的磁有序的原因如下：Ｆｅ逡逑原子出现在处于正八面体结构中的Ｇａ的位置上，和位于Ｆｅｌ和Ｆｅ２位置上的逡逑Ｆｅ原子发生铁磁耦合

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３＾逡逑ａｔｏｍ邋ｖ逡逑图１－２外加磁场与试验测试的介电常数的变化值的关系图［１５］逡逑Ａｓ为介电常数在磁相变温度处的差值，，Ａｓ＝ｓ邋（Ｈ）邋－ｓ邋（０），与磁化强度的平逡逑方（Ｍ２）成正比。Ｎａｉｋ等人用实验验证了铁酸镓的介电常数在相变温度点处同逡逑样出现上述的情况，并提出了磁电耦合系数的汁算公式：逡逑，Ａｓ邋ｓ邋（Ｈ）－ｓ邋（０）逡逑ＭＣ－逦＝逦逡逑８邋（０）邋８邋（０）邋（１－１）逡逑铁酸镓材料的磁电耦合效应给控制磁场电极化或控制电场磁化提供丫T能逡逑性，这样也提高了多功能器件设计的自由度，必将促进光电半导体器件的发展。逡逑１．２．３邋Ｆｅ２0３和Ｇａ２0３的基本性质逡逑氧化铁，化学式，Ｆｅ２０３，是一种重要的磁性氧化物，外观为有金属光泽的逡逑红棕色粉末，如图１－３所示。因为其色泽艳丽，也在工业上作为常见的染料。氧逡逑化铁的化学性质稳定，不仅在工业涂料上有广泛的应用，在磁电设备器件、传感逡逑器和催化领域也有广阔的前景＾１８１。逡逑■；邋；■邋：：；；：：ｆ邋Ｖ：；；：．ｖ逡逑图１－３邋Ｆｅ２０３粉末的外形逡逑氧化铁有四种不同的晶体结构
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O484

【参考文献】