铁电材料的光学及输运性质的研究和应用

发布时间：2017-12-07 06:10

  本文关键词：铁电材料的光学及输运性质的研究和应用

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【摘要】：铁电性材料所具有的独特物理性质,以及与铁电性相关的多物性耦合所带来的新奇物理现象,不仅在基础物理领域引起人们的广泛兴趣,在铁电光伏、铁电存储器、压电材料、铁电隧道结等诸多电子工业的应用领域也被人给予厚望。本文对多铁性铁电材料BiFe O_3薄膜材料的诸多新奇光学性质及表面输运特性展开了系统研究,并基于对该材料物性的调控提出了可能的应用。此外对传统铁电性材料PbTiO_3成功实现了电子掺杂,对其铁电性和金属导电性进行了人工设计和调控,从而为一种自然界非常少见的材料“铁电金属”给出了出色的候选者。取得的主要研究成果如下:1.利用激光分子束外延(Laser-MBE)技术,在Nb-doped SrTiO_3、SrTiO_3等衬底上制备了不同厚度的BiFe O_3薄膜。利用原子力显微镜技术(AFM)以及压电响应力显微技术(PFM),在BiFeO_3薄膜表面不同区域加不同电场刻写出条状畴结构。利用开尔文力显微镜(KPFM)技术探测条状畴结构的表面电势信号,通过光照BiFeO_3薄膜材料表面,使表面电势在长时间的驰豫和衰减后大大恢复,成为一种非挥发性信号。通过实验和理论的研究表明,光至表面电势恢复主要是来自于BiFeO_3薄膜不同铁电极化畴区域的铁电光伏效应。自此,提供了一种读取铁电极化信号的可能途径。2.利用PFM在BiFeO_3薄膜表面加电场,刻写不同宽度、不同间距的铁电畴极化畴,利用KPFM技术长时间的探测表面电势的衰减过程。发现,表面电势的衰减时间常数随着极化畴尺寸的增大而增大,同时,随着铁电极化畴间距的增大而增大。结合实验结果和理论模拟共同证明:铁电材料表面电荷的衰减过程中占主导原因的是横向扩散,而非以前被广泛认为的向体内扩散以及空间电荷吸附。从而为今后优化电畴结构及铁电极化畴稳定性的研究提供了材料的物性依据。3.通过长时间光照铁电BiFeO_3薄膜材料,同时探测照光区域和未照光区域表面电势差。首次观测到具有超长时间驰豫的光至影响。通过理论模拟的结果结合实验数据的探究,我们认为长时间的光照导致电极化内部的局域退极化很有可能是产生这种现象的原因。这一观测为铁电材料的光至现象,提供了更加深入的认识。4.在传统铁电性材料PbTiO_3中掺杂Nb原子替代Ti的位置可以引入电子性掺杂。利用Laser-MBE生长出了不同浓度Nb掺杂的Pb TiO_3薄膜样品。随着掺杂的升高,电导率逐渐升高,当Nb的浓度达到0.12时,样品的电阻随温度的变化曲线呈现出金属导电性。然而,通过PFM、铁电测试仪、高角度球差校正电子显微镜的测试发现,所有掺杂浓度的样品都存在晶格的极化畸变,既,电导率变化的过程中存有一定的铁电性。这一结果实现了铁电极化与金属导电性的共存,从而为一种自然界非常少见的材料“铁电金属”给出了出色的候选者。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O484

【参考文献】

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1 董帅;刘俊明;;多铁性材料:过去、现在、未来[J];物理;2010年10期

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本文编号：1261403