單相鉍鎵基多鐵性薄膜陽離子位調(diào)控與性能研究
發(fā)布時間：2021-08-28 13:12
多鐵材料是一種典型的先進(jìn)功能材料,因其同時存在鐵電、鐵磁和鐵彈序,使得它蘊含非常豐富的多場耦合效應(yīng),如壓電、壓磁和磁電耦合效應(yīng)等,同時納米結(jié)構(gòu)具有豐富的表界面效應(yīng)和尺寸效應(yīng),具有許多不同于塊體材料的優(yōu)異性能,因而多鐵納米材料能使器件實現(xiàn)多功能化、集成化、微型化,給微電子技術(shù)和信息技術(shù)帶來革命性的發(fā)展。同時,多鐵材料在傳感器、驅(qū)動器、轉(zhuǎn)換器、衰減器、過濾器、場探針、存儲器及微電子行業(yè)等具有廣泛的應(yīng)用前景。因為這些顯著的特點,多鐵材料是材料、物理和固體力學(xué)等領(lǐng)域中的重要研究方向,其中蘊含著豐富的材料科學(xué)、物理和力學(xué)等問題,引起了國內(nèi)外廣大科學(xué)工作者的關(guān)注。本論文率先采用溶膠-凝膠法制備了0.86BiTi0.1Fe0.8Mg0.1O3-0.14CaTiO3（BTFM-CTO）多鐵性單晶外延薄膜;并對其陽離子位組分進(jìn)行了調(diào)控,（1-x）BiTi（1-y）/2FeyMg（1-y）/2O3-（x）CaT...
【文章來源】：湘潭大學(xué)湖南省
【文章頁數(shù)】：77 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
多鐵材料矢量與性能之間的耦合關(guān)系圖[31]
湘潭大學(xué)碩士畢業(yè)論文6形成局域磁矩，不能產(chǎn)生磁有序結(jié)構(gòu)，也不會表現(xiàn)出磁性，而鐵磁性又要求d軌道是半充滿電子狀態(tài)。鐵電性與磁性對B位離子d軌道填充方式的要求就導(dǎo)致了這兩種有序態(tài)的互斥[54]。單相多鐵材料按照鐵電性的來源可以分為I型多鐵材料和II型多鐵材料。如圖1.2所示[55]，如果材料中的鐵電有序與鐵磁有序相互獨立存在，沒有直接關(guān)聯(lián)，則將其劃分為I型多鐵材料，因此I型多鐵材料的磁電耦合作用相對較弱；如果材料的鐵電性由其晶格內(nèi)磁性離子特殊的磁結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)產(chǎn)生的，則將其分為II型多鐵材料，II型多鐵材料相對于I型多鐵材料會具有更小的鐵電極化。I型多鐵材料鐵電性主要來源為孤對電子、幾何結(jié)構(gòu)、電荷有序，II型多鐵材料鐵電性主要來源為非共線螺旋磁有序機制和共線自旋磁有序機制。圖1.2單相多鐵材料的分類[55]1.孤對電子型在大多數(shù)的氧化物中，其中有些離子的最外層s軌道上兩個電子是以sp軌道雜化的形式參與化學(xué)成鍵的。如果s軌道上兩個電子沒有參與成鍵，則這兩個電子被稱為孤對電子。BiFeO3是最常見的孤對電子型單相多鐵材料，Bi3+擁有這樣兩個孤對電子，它的鐵電性來源于6s2軌道上帶有孤對電子的Bi3+向FeO6八面體方向的移動，偏離中心位置，在[111]方向產(chǎn)生自發(fā)極化，從而產(chǎn)生鐵電性[56]。BiFeO3中的磁性則由Fe3+引入。2.幾何結(jié)構(gòu)型六角晶系的錳氧化物具有幾何結(jié)構(gòu)型，常見的單相多鐵材料有YMnO3、
第1章緒論7HoMnO3等材料。它們B位只有磁性的Mn離子，A位離子也不具有孤對電子，但仍能表現(xiàn)出鐵電性與磁性。以YMnO3為例，MnO5通過共頂角O離子相連成一層，Y離子獨自一層，從順電相轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相，MnO5多面體產(chǎn)生傾斜，從而導(dǎo)致了Y-O鍵產(chǎn)生了偏移，表現(xiàn)出了鐵電性[57]。3.電荷有序型在多鐵材料中，電荷載流子在低于某個臨界溫度時會產(chǎn)生局域化，不同價態(tài)的離子形成周期性排列，導(dǎo)致材料中鐵電性的產(chǎn)生，這種多鐵材料被歸類為電荷有序型多鐵材料。典型的有Fe3O4、LuFe2O4等[58,59]，以LuFe2O4為例，如圖1.3所示，晶胞中的鐵離子是存在同等數(shù)量Fe3+與Fe2+占據(jù)相同的格點，低于350K時，具有相反等效電荷的兩種Fe離子由于庫侖作用力形成離子數(shù)目1:2與2:1的層狀交替堆砌的方式，從而形成電荷有序。兩層的Fe離子電荷中心不重合，有序的電偶極子導(dǎo)致了鐵電性的產(chǎn)生。圖1.3低溫下LuFe2O4電荷有序相沿著z方向的立體結(jié)構(gòu)示意圖[60]4.非共線螺旋磁有序型在非共線螺旋型多鐵材料中，鐵電性是由非共線螺旋磁有序結(jié)構(gòu)所誘發(fā)的，其中材料的螺旋磁有序結(jié)構(gòu)起源于最近鄰(平行)鐵磁與次近鄰反鐵磁(反平行)交互作用競爭(磁阻措)，磁自旋排列會被限制在易磁化面內(nèi)而呈螺旋狀。5.共線自旋磁有序型在共線自旋磁有序型多鐵材料中，鐵電性是由材料中共線磁有序結(jié)構(gòu)所誘發(fā)的，其中材料的共線自旋磁有序結(jié)構(gòu)起源于此狀態(tài)下的磁晶各向異性能遠(yuǎn)大于螺旋磁有序結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的磁晶各向異性能強度。常見的非共線螺旋型多鐵材料有Ca3CoMnO6、Y2CoMnO6、Y2NiMnO6、和TbMn2O5等[61-63]。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]微納尺度多鐵異質(zhì)結(jié)中電驅(qū)動磁反轉(zhuǎn)[J]. 宋驍,高興森,劉俊明. 物理學(xué)報. 2018(15)
[2]多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中逆磁電耦合效應(yīng)的研究進(jìn)展[J]. 陳愛天,趙永剛. 物理學(xué)報. 2018(15)
[3]單相多鐵性材料——極化和磁性序參量的耦合與調(diào)控[J]. 王克鋒,劉俊明,王雨. 科學(xué)通報. 2008(10)
[4]單相磁電多鐵性體研究進(jìn)展[J]. 遲振華,靳常青. 物理學(xué)進(jìn)展. 2007(02)
博士論文
[1]溶膠凝膠法制備外延壓電薄膜的相結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能[D]. 郁琦.清華大學(xué) 2014
[2]多重鐵性微納米材料的制備與表征[D]. 謝淑紅.湘潭大學(xué) 2008
本文編號：3368577
【文章來源】：湘潭大學(xué)湖南省
【文章頁數(shù)】：77 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
多鐵材料矢量與性能之間的耦合關(guān)系圖[31]
湘潭大學(xué)碩士畢業(yè)論文6形成局域磁矩，不能產(chǎn)生磁有序結(jié)構(gòu)，也不會表現(xiàn)出磁性，而鐵磁性又要求d軌道是半充滿電子狀態(tài)。鐵電性與磁性對B位離子d軌道填充方式的要求就導(dǎo)致了這兩種有序態(tài)的互斥[54]。單相多鐵材料按照鐵電性的來源可以分為I型多鐵材料和II型多鐵材料。如圖1.2所示[55]，如果材料中的鐵電有序與鐵磁有序相互獨立存在，沒有直接關(guān)聯(lián)，則將其劃分為I型多鐵材料，因此I型多鐵材料的磁電耦合作用相對較弱；如果材料的鐵電性由其晶格內(nèi)磁性離子特殊的磁結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)產(chǎn)生的，則將其分為II型多鐵材料，II型多鐵材料相對于I型多鐵材料會具有更小的鐵電極化。I型多鐵材料鐵電性主要來源為孤對電子、幾何結(jié)構(gòu)、電荷有序，II型多鐵材料鐵電性主要來源為非共線螺旋磁有序機制和共線自旋磁有序機制。圖1.2單相多鐵材料的分類[55]1.孤對電子型在大多數(shù)的氧化物中，其中有些離子的最外層s軌道上兩個電子是以sp軌道雜化的形式參與化學(xué)成鍵的。如果s軌道上兩個電子沒有參與成鍵，則這兩個電子被稱為孤對電子。BiFeO3是最常見的孤對電子型單相多鐵材料，Bi3+擁有這樣兩個孤對電子，它的鐵電性來源于6s2軌道上帶有孤對電子的Bi3+向FeO6八面體方向的移動，偏離中心位置，在[111]方向產(chǎn)生自發(fā)極化，從而產(chǎn)生鐵電性[56]。BiFeO3中的磁性則由Fe3+引入。2.幾何結(jié)構(gòu)型六角晶系的錳氧化物具有幾何結(jié)構(gòu)型，常見的單相多鐵材料有YMnO3、
第1章緒論7HoMnO3等材料。它們B位只有磁性的Mn離子，A位離子也不具有孤對電子，但仍能表現(xiàn)出鐵電性與磁性。以YMnO3為例，MnO5通過共頂角O離子相連成一層，Y離子獨自一層，從順電相轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相，MnO5多面體產(chǎn)生傾斜，從而導(dǎo)致了Y-O鍵產(chǎn)生了偏移，表現(xiàn)出了鐵電性[57]。3.電荷有序型在多鐵材料中，電荷載流子在低于某個臨界溫度時會產(chǎn)生局域化，不同價態(tài)的離子形成周期性排列，導(dǎo)致材料中鐵電性的產(chǎn)生，這種多鐵材料被歸類為電荷有序型多鐵材料。典型的有Fe3O4、LuFe2O4等[58,59]，以LuFe2O4為例，如圖1.3所示，晶胞中的鐵離子是存在同等數(shù)量Fe3+與Fe2+占據(jù)相同的格點，低于350K時，具有相反等效電荷的兩種Fe離子由于庫侖作用力形成離子數(shù)目1:2與2:1的層狀交替堆砌的方式，從而形成電荷有序。兩層的Fe離子電荷中心不重合，有序的電偶極子導(dǎo)致了鐵電性的產(chǎn)生。圖1.3低溫下LuFe2O4電荷有序相沿著z方向的立體結(jié)構(gòu)示意圖[60]4.非共線螺旋磁有序型在非共線螺旋型多鐵材料中，鐵電性是由非共線螺旋磁有序結(jié)構(gòu)所誘發(fā)的，其中材料的螺旋磁有序結(jié)構(gòu)起源于最近鄰(平行)鐵磁與次近鄰反鐵磁(反平行)交互作用競爭(磁阻措)，磁自旋排列會被限制在易磁化面內(nèi)而呈螺旋狀。5.共線自旋磁有序型在共線自旋磁有序型多鐵材料中，鐵電性是由材料中共線磁有序結(jié)構(gòu)所誘發(fā)的，其中材料的共線自旋磁有序結(jié)構(gòu)起源于此狀態(tài)下的磁晶各向異性能遠(yuǎn)大于螺旋磁有序結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的磁晶各向異性能強度。常見的非共線螺旋型多鐵材料有Ca3CoMnO6、Y2CoMnO6、Y2NiMnO6、和TbMn2O5等[61-63]。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]微納尺度多鐵異質(zhì)結(jié)中電驅(qū)動磁反轉(zhuǎn)[J]. 宋驍,高興森,劉俊明. 物理學(xué)報. 2018(15)
[2]多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中逆磁電耦合效應(yīng)的研究進(jìn)展[J]. 陳愛天,趙永剛. 物理學(xué)報. 2018(15)
[3]單相多鐵性材料——極化和磁性序參量的耦合與調(diào)控[J]. 王克鋒,劉俊明,王雨. 科學(xué)通報. 2008(10)
[4]單相磁電多鐵性體研究進(jìn)展[J]. 遲振華,靳常青. 物理學(xué)進(jìn)展. 2007(02)
博士論文
[1]溶膠凝膠法制備外延壓電薄膜的相結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能[D]. 郁琦.清華大學(xué) 2014
[2]多重鐵性微納米材料的制備與表征[D]. 謝淑紅.湘潭大學(xué) 2008
本文編號：3368577
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