【摘要】：在這個信息迅猛更換的短短幾十年里,多鐵材料因為同時存在多種鐵性有序以及磁電耦合效應,引起了研究者們對基礎科學和應用技術領域的極大興趣,這使得多鐵材料在高密度存儲器,機電器件以及自旋電子設備中有很大的應用潛力。而作為多鐵材料中一個具有良好性能的的材料——鐵酸鉍(BiFeO_3,BFO)涌入研究者的眼前,鐵酸鉍不含有鉛等有毒元素,無污染,對環(huán)境友好、并且化學穩(wěn)定性好、其居里溫度和奈爾溫度分別為Tc~1100 K和T_N~640 K,是目前發(fā)現極少數的一種在室溫下仍然呈現多鐵性質的材料,而且同時具有鐵電性、G型反鐵磁性、結構可調性、光伏特性等優(yōu)良性質,在多個領域應用前景巨大。然而,鐵酸鉍本身也存在各種各樣的問題,比如:Bi元素揮發(fā)引起的Bi缺陷和氧空位(V_(Bi)和V_O)造成了BFO具有較高的漏電流,嚴重地影響了BFO的多鐵性質及器件應用。由于在制備鐵酸鉍的奈米結構時的工藝比較嚴苛,所以我們會的得到有晶格缺陷的鐵酸鉍納米材料,晶格缺陷會嚴重影響材料的性質,但是缺陷的產生也是不可避免的,所以研究者們就通過各種辦法來解決這種缺陷,比如:摻雜(自摻雜和他摻雜)、元素替代以及加入其它的試劑等,以來提高鐵酸鉍薄膜的性能,但是這樣會引起其結構的改變以及雜相的產生;為了防止這種現象的產生,研究者們就試圖在不改變鐵酸鉍結構的前提下通過改變外界的條件來優(yōu)化鐵酸鉍的性能,比如說加激光,由于鐵酸鉍薄膜具有光電效應,能夠產生光生載流子所以會讓鐵酸鉍薄膜內部的電荷進行重新組合和分布,從而可以改變鐵酸鉍薄膜的性質。近幾年來,隨著鐵電、壓電器件的小型化、精細化以及對內部結構生長行為的研究興趣的增長,人們可以應用的外加體檢越來越多,為了使研究的材料的性能更加的優(yōu)化,在試驗過程中會采用不同的實驗手段對材料進行測試,因而對材料性能的納米尺度表征顯得越來越有意義�；谠恿︼@微鏡(AFM)的多種先進微觀表征技術應運而生,借助AFM可以探究內部缺陷與材料性能間的聯(lián)系,以及借助AFM的外加的實驗條件,為材料的更廣泛應用提供基礎研究依據。本文采用外加磁場的方法進行鐵酸鉍薄膜性質的探究,通過控制磁場強度額大小以及方向,來達到改善其性質的目的,同時借助多種觀測手段(原子力顯微鏡、壓電力顯微鏡、靜電力顯微鏡、表面開爾文探針顯微鏡、導電原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡等),研究了磁場強度對鐵酸鉍/摻鈮鈦酸鍶(BiFeO_3/Nb:SrTiO_3)異質結的鐵電性及電學性質的影響。主要研究內容如下:一、采用固相反應法,制備了具有高質量的鐵酸鉍陶瓷靶材,Bi/Fe比為1.25。由于Bi元素極易揮發(fā),為了防止在燒結過程中Bi的丟失,也為了防止塊體陶瓷靶材受熱不均勻,燒結過程采用埋粉法,另外也使Bi的用量稍微多一點,成功制備了致密性良好的陶瓷靶材;二、采用脈沖激光沉積法(PLD),在摻鈮鈦酸鍶單晶(NSTO)襯底上,首先利用反射高能電子槍(RHEED)監(jiān)控了鐵酸鉍薄膜的生長,由于降溫時氧壓過高,所以關閉了RHEED,這里的NSTO作為底電極,當然BFO與NSTO的晶格失配也不大,對BFO的結構生長不會有太大的變化;三、利用多種掃描探針顯微鏡(AFM、PFM、EFM、KPFM和CAFM)在改變外加磁場強度的情況下對鐵酸鉍薄膜的微觀鐵電和電學性能進行了研究:1.BFO薄膜結晶質量良好,沒有雜相產生,表面平整致密,并且鐵酸鉍薄膜鐵電層都呈現自發(fā)極化向上;2.對鐵酸鉍薄膜進行外加磁場的操作,隨著磁場強度的增強,BFO薄膜的自發(fā)極化強度和壓電響應也隨之增大,表面電荷密度鐵酸鉍薄膜表面電勢逐漸增大,異質結構的導電性和漏電流減弱,整流特性明顯;3.為了進一步了解鐵酸鉍薄膜的性能,我們在保證磁場強度相同的條件下觀測其保持性的性能,通過時間間隔為0h-10h-15h,每5個小時進行測試,我們的到另一個結論高磁場強度下鐵酸鉍薄膜的保持性特別好,幾乎沒有生變化;4.為了排除磁場方向對鐵酸鉍薄膜性能的影響,我們在對鐵酸鉍薄膜進行單點測試時,改變了磁場強度,結果表明磁場強度對鐵酸鉍薄膜的影響幾乎可以忽略,而影響鐵酸鉍薄膜性質的只有磁場強度,這些結果的出現可以用極化不連續(xù)理論和能帶理論來解釋;
【學位授予單位】：河南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.2;TQ135.32
【圖文】：

鐵酸鉍（BFO）是一種多鐵材料，它同時也是典型的鈣鈦礦（ABO3）結構，并且是 I 型多鐵性的經典范例，這就意味著對于不同的位置影響著材料的性能：其中由于 A位的離子為半徑較大的，并且含有孤對電子的（6s 電子），同時具有化學性質相對活潑的 Bi 元素，這也是是引起 BFO 發(fā)生結構扭曲和產生鐵電性的主要原因；而對于 B 位，它是半徑較小的而 d 軌道處于為半填充的 Fe 離子，這個位置主要是引起了材料的磁有序特性[17]。鐵酸鉍（BFO）陶瓷的各個方面的性質和性能并未表現出巨大的優(yōu)勢，所以我們在研究的通常是薄膜狀態(tài)，在此狀態(tài)下 BFO 結構通常會呈現不同的結構形式，通常為：菱面體結構（R）和四方結構（T）。R 相和 T 相的面外晶格參數分別是 4.06 埃和 4.65埃，因為面內晶格參數會受到襯底的約束，所以會有輕微的變化，R 相約為 3.8 埃，T相約為 3.7 埃[18]。因此 BFO 的 c/a 比會從 R 相的 1.07 埃變化到 T 相的 1.27 埃，通常會在 10 個晶胞的范圍內產生 16%的相對的差值[19]。

磁場對鐵酸鉍薄膜電學性質的影響它的因素，比如：極化疲勞與鐵彈疇壁有關系,而薄膜的轉換。FO）作為一種特別具有代表性的鐵電材料。自上世紀 的研究及應用開發(fā)，已經成為很多研究者的工作的重要一個重要的的研究課題。在一定溫度（Tc）下，由于晶引起偶極矩不為零，材料因此會產生出自發(fā)極化，這些方向會隨著電場的方向的改變而發(fā)生改變。但當 T>T鐵電相轉變成為順電相，也就是說此時的鐵電極化方向化，它會保持自己原有的極化方向。

【參考文獻】

相關期刊論文 前5條

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本文編號：2712669