本文選題：鐵鉍共摻雜六方錳酸釔 + 溶膠凝膠法��； 參考：《華東師范大學》2017年碩士論文

【摘要】：多鐵材料是目前研究的熱點材料之一,通常具體兩種及兩種以上的鐵序,包括鐵電性、鐵磁性、鐵彈性等。多鐵材料的性質(zhì)使得它被廣泛地應用在自旋電子和鐵電存儲器等方面。近年來,六方錳酸釔作為一種多鐵材料,由于其反鐵磁和鐵電的耦合,引起了廣泛的研究興趣。六方錳酸釔的微觀結(jié)構(gòu)不同于通常的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),每個三價錳離子分別被三個面內(nèi)的氧原子和兩個面外的頂氧原子,形成氧六面體結(jié)構(gòu),服從三角雙錐形晶格場。通常認為六方錳酸釔的反鐵磁是由錳離子的三角晶格場所引起的,而鐵電性則是由三價釔離子的畸變引起的。反鐵磁尼爾溫度約70K,鐵電居里溫度約900K,分別存在對應的反鐵磁疇和鐵電疇。在較低的溫度之下,出現(xiàn)反鐵磁疇和鐵電疇的耦合,尤其是復合疇壁的出現(xiàn)。此外,六方錳酸釔的禁帶寬度約1.5 eV,它非常接近于硅的1.12 eV。六方錳酸釔的介電常數(shù)約20,較接近于硅的介電常數(shù)12。這些非常適合六方錳酸釔在金屬/鐵電/絕緣體/半導體結(jié)構(gòu)中作為鐵電材料,為六方錳酸釔基于硅集成電路的存儲器的應用提供了可能。電子能帶結(jié)構(gòu)隨溫度的變化對于研究相變往往有重要的意義。Katsufuji等人報道了在ab面內(nèi)的磁序依賴的電子激發(fā)能隙由于反鐵磁和介電的耦合出現(xiàn)介電異常。根據(jù)光電導譜和理論計算,六方錳酸釔的兩個能隙E和Eg2可以分別歸結(jié)于兩個雜化帶之間的能隙。一個雜化帶由面內(nèi)的O2p軌道和相應的Mn E2g/E1g軌道雜化而成。另一個雜化帶由頂O2p軌道和相應的Mna1g軌道雜化而成。因此,面內(nèi)的反鐵磁序?qū)γ鎯?nèi)O 2p軌道和相應的Mn E1g/E2g軌道雜化的額外調(diào)制對Eg1和Eg2可能存在一定的影響。但是,這個效應在Katsufuji的模型中被忽視了。我們希望找到禁帶和其他能隙受到反鐵磁相變影響的直接證據(jù)。而且,目前六方錳酸釔雙能隙的溫度依賴性的研究還比較缺乏。獲得較高的單軸鐵電取向生長對于六方錳酸釔的潛在應用是一個挑戰(zhàn)。長期以來,較高的單軸鐵電取向的六方錳酸釔可以通過脈沖激光沉積、懸浮區(qū)熔工藝和分子束外延獲得,但是這些手段由于昂貴的價格不利于推廣和應用。在固相燒結(jié)中,高溫熱處理產(chǎn)生的微米級裂紋會導致不良的表面和劣化的電學性能,特別是大的漏電流。根據(jù)Chio的報道,鉍摻雜在較低溫度下實現(xiàn)了高度c軸擇優(yōu)取向的六方錳酸釔薄膜生長。但是鉍的有效摻雜量大約5%,這導致了顯著的Bi2O3表面層出現(xiàn)。另一方面,鐵摻雜通常用于研究對反鐵磁相變的影響。但是對晶格和形貌的影響較少被研究。尤其是鐵和鉍共摻雜作用,更少被提及。溶膠凝膠法有諸多優(yōu)點,是一種廣泛接受的方法。我們希望通過溶膠凝膠法實現(xiàn)對六方錳酸釔的調(diào)制性生長,特別是對它的晶格取向和形貌的調(diào)制。在這項工作中通過溶膠凝膠法在石英、硅、鉑金等襯底上制備出(1-x)YMn03-xBiFeO3(x=0-0.25)[YBMFx]薄膜,并利用X射線衍射(XRD)、X射線光電子譜(XPS)、原子力顯微鏡(AFM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、鐵電測試儀、紫外-紅外透射光譜、橢圓偏振光譜、紅外反射光譜等研究了 YBMFx薄膜常溫微結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)、鐵電性質(zhì)、電子能帶結(jié)構(gòu)以及變溫下電子能帶結(jié)構(gòu)的變化。主要工作如下:(1)YBMFx薄膜的制備及基礎表征:通過XRD、XPS、AFM、SEM、鐵電、伏安特性等測試研究鉍和鐵共摻雜對六方錳酸釔薄膜的微結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)、電子能譜、鐵電性的影響,并確認純的六方錳酸釔的晶格結(jié)構(gòu),元素化合價,室溫鐵電性。EDS的mapping則用于很好地確認摻雜元素在表面的分布是否均一。XRD反映出所有的樣品都為單一的六方晶相,沒有發(fā)現(xiàn)其他雜相。N型重摻雜硅上薄膜的晶格均為c軸擇優(yōu)取向(用于測試電學性質(zhì))。石英上薄膜的晶格顯著分為兩組,低摻雜的三個樣品反映出顯著的單軸取向,而高摻雜的三個組分則出現(xiàn)了非擇優(yōu)取向。低摻雜和高摻雜兩組形貌分別對應平整和起伏。純的六方錳酸釔的晶格取向是單一的c軸取向,XPS顯示錳的化合價為+3價,具有室溫鐵電性。錳離子對應XPS峰位隨組分增加向高能方向移動。鐵電極化率和矯頑力隨組分的變化也被研究,優(yōu)化摻雜濃度為1.5%。此外,空間限制電流(SCLC)機制是硅襯底上薄膜高電場區(qū)的主要漏電流機制。(2)YBMFx薄膜常溫光學性質(zhì)研究:通過常溫透射確認了石英上薄膜雙能隙的能帶結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)禁帶寬度大約1.25 eV,次帶隙大約3.3 eV。通過橢圓偏振光譜研究不同襯底對電子能帶結(jié)構(gòu)的影響,由于襯底介電常數(shù)的疊加,導致不同襯底的薄膜的贗介電常數(shù)區(qū)別很大,其中鉑金襯底的薄膜振蕩較少。通過Adachi模型和三層結(jié)構(gòu)分析橢偏提取了鉑金襯底上的YBMFx薄膜的介電譜和光學參數(shù),雙能隙特征得到進一步證實。紫外-近紅外反射譜探測石英襯底上薄膜時也有明顯的振蕩,不利于很好地區(qū)分吸收和振蕩。通過紅外反射光譜得到了石英襯底上薄膜紅外振動的初步情況。(3)YBMFx薄膜變溫透射及雙能隙溫度特性研究:通過變溫透射,研究了石英上YBMFx薄膜的溫度依賴關(guān)系,發(fā)現(xiàn)禁帶Eg1滿足Katsufuji模型,但是Eg2不滿足該模型。Eg2在約100K以下,出現(xiàn)明顯的收縮。這個異常的臨界溫度可以歸結(jié)于反鐵磁相變(或弛豫)的影響。復合疇壁的釘扎效應和離散氧空位在疇壁處的累積解釋了 100 K異常的收縮。反鐵磁相變(或弛豫)對Eg2可能有較大的影響。
[Abstract]:In recent years , the existence of anti - ferromagnetic domains and ferroelectric domains is attributed to the interaction between antiferromagnetism and ferroelectric domains . The microstructure , surface structure , electron energy spectrum and ferroelectric properties of YBMFx films were studied by means of XRD , XPS , AFM , SEM , ferroelectric and voltammograms . ( 3 ) The temperature dependence of YBMFx films on quartz is studied by variable temperature transmission . The temperature dependence of YBMFx films on quartz has been studied . It is found that the forbidden band Eg1 satisfies the model of anti - ferromagnetic phase change ( or relaxation ) . The critical temperature of this anomaly can be attributed to anti - ferromagnetic phase change ( or relaxation ) . The pinning effect of the composite domain wall and the accumulation of discrete oxygen vacancies at the domain wall explain the contraction of 100 K anomalies . Antiferromagnetic phase change ( or relaxation ) may have a great influence on Eg2 .
【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O484

【參考文獻】

相關(guān)博士學位論文 前2條

1 段志華;鈣鈦礦鐵電材料的晶格振動和相變規(guī)律研究[D];華東師范大學;2015年

2 韓美杰;銅鐵礦薄膜材料的制備和性能研究[D];華東師范大學;2013年

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2 王俊;原子力顯微鏡在材料成像和光存儲中的應用[D];大連理工大學;2010年

3 王嬌;鐵氧體材料的掃描電子顯微鏡分析研究[D];電子科技大學;2009年

4 趙亮;SiO_2/4H-SiC（0001）界面缺陷的XPS研究[D];大連理工大學;2008年

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本文編號：1929936