發(fā)布時間：2020-11-15 20:55

　　 一直以來,多鐵性材料由于同時具有兩種或者兩種以上鐵性序參量(如鐵電、鐵磁、鐵彈等)以及各種序參量之間的相互耦合作用(如磁電耦合效應(yīng)),而在信息存儲器件、多功能微電子器件以及傳感器等新型電子器件領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。近年來,隨著科學(xué)的發(fā)展與技術(shù)的進步,多鐵性材料潛在的物理特性被人們再次挖掘,比如電阻開關(guān)效應(yīng),鐵電光伏效應(yīng)等。這些物理特性與多鐵性之間通過耦合作用為實現(xiàn)多場調(diào)控、高性能器件的設(shè)計以及微電子器件的多功能化、微型化提供了新的角度。本論文以單相多鐵材料中具有代表性的鐵酸鉍基薄膜為研究對象,首先研究了外磁場作用下薄膜的磁電耦合性質(zhì)變化及其調(diào)控,然后研究了薄膜的鐵電光伏效應(yīng)及其對阻變特性的調(diào)控,實現(xiàn)了電場和光場共同激勵下的多態(tài)阻變行為。論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:采用溶膠-凝膠法,并結(jié)合磁控濺射技術(shù),在Pt/Ti/SiO_2/Si襯底上成功制備了多晶的Co/Bi_(0.9)La_(0.1)Fe_(0.95)Mn_(0.05)O_3復(fù)合薄膜,復(fù)合薄膜的宏觀漏電流相比單相的BiFeO_3得到很大改善并呈現(xiàn)出良好的室溫鐵電性與鐵磁性。測量了復(fù)合薄膜電滯回線隨外加磁場的變化情況,發(fā)現(xiàn)磁場對鐵電極化有調(diào)控作用,隨著磁場的增大,飽和極化強度逐漸減小,對復(fù)合薄膜剩余極化的抑制率在1000 Oe時可達～16%。進一步測量了復(fù)合薄膜在不同磁場下的I-V曲線,發(fā)現(xiàn)隨著外磁場的增加,復(fù)合薄膜的電阻隨之增大,即磁電阻變大。最后測量了復(fù)合薄膜的電阻開關(guān)特性,發(fā)現(xiàn)隨著外加磁場的增加,電阻開關(guān)場在阻變過程中都有一定程度的增大。對于以上物理現(xiàn)象,我們認(rèn)為Co磁性層在磁場作用下發(fā)生磁致伸縮,產(chǎn)生的應(yīng)力傳遞給鐵電層后抑制了鐵電疇的翻轉(zhuǎn),從而抑制了鐵電極化;在一定的偏壓下,薄膜的電導(dǎo)過程由晶界和鐵電疇共同主導(dǎo),由于晶界處的電導(dǎo)在小偏壓下很快飽和,所以隨著偏壓的增大,薄膜的電導(dǎo)過程主要由鐵電疇主導(dǎo),當(dāng)鐵電疇被完全翻轉(zhuǎn),整個晶粒才變得完全導(dǎo)電,但是由于外加磁場抑制了復(fù)合薄膜中鐵電疇的翻轉(zhuǎn),進而抑制了其電導(dǎo)過程,導(dǎo)致導(dǎo)電通道的形成變得艱難。采用溶膠-凝膠工藝在Pt/Ti/SiO_2/Si襯底上成功制備了多晶BiFeO_3薄膜,薄膜呈現(xiàn)出較好的鐵電性。對薄膜的鐵電光伏效應(yīng)進行了測量,得到薄膜的開路電壓V_(oc)=0.28V和短路電流密度J_(sc)=6.83 μA/cm~2,同時觀測到薄膜呈現(xiàn)出典型的單極型電阻開關(guān)特性。通過對薄膜的電導(dǎo)機制分析,我們認(rèn)為薄膜的阻變過程主要源于薄膜中導(dǎo)電通道的形成與斷裂。進一步地,在測量阻變特性的同時,我們引入光照,發(fā)現(xiàn)在低阻態(tài)下,無論有無入射光照,薄膜的電阻都沒有明顯變化;而在高阻態(tài)下,在光照時可導(dǎo)致阻值降低近兩個數(shù)量級,由此實現(xiàn)了薄膜的三態(tài)阻變效應(yīng)。這種效應(yīng)主要源于以下物理機制:在光照條件下,薄膜產(chǎn)生光伏效應(yīng),在低阻態(tài)下薄膜由于呈現(xiàn)出金屬電導(dǎo)機制,光伏效應(yīng)導(dǎo)致的光電流相比薄膜本身的電流非常微弱,因此光照對阻態(tài)基本沒有影響;而在高阻態(tài)下,薄膜由于呈現(xiàn)出半導(dǎo)體電導(dǎo)機制,光伏效應(yīng)導(dǎo)致的光電流與薄膜本身的電流處在同一量級,因此在光照下會產(chǎn)生新的光阻態(tài)。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ135.32;TB383.2
【部分圖文】：

鈣鈦礦型單相多鐵性材料，其優(yōu)點主要在于具有很高的鐵電居里溫度??（Ｔｃ？１１０３Ｋ）和奈爾溫度（Ｔｎ？６４３Ｋ）［１１］。室溫下ＢｉＦｅ０３屬于三方晶系，空間群是??Ｒ３ｃ，具有立方結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)不同的報道有不同的數(shù)據(jù)，如圖１．２（ａ）所示，??Ｆｉｅｂｉｇ等測得的結(jié)果其晶格常數(shù)為ａ＝ｂ＝ｃ＝５．６３Ａ，鍵角ａ＝Ｐ＝ｙ＝５９．４°，電極化方??向沿著立方晶胞的［１１１］方向，如圖１．２（ｂ）所示［１２，?１３］。三方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)由立方??結(jié)構(gòu)沿（１１１）方向拉伸而成，沿此方向Ｂｉ３＋相對Ｆｅ－０八面體位移，使晶體結(jié)構(gòu)??變得不均勻，自旋沿（１１０）面排列成螺旋結(jié)構(gòu)，周期約為６０ｎｍ。由于螺旋磁結(jié)??２??

它如果用于信息存儲中將同時具有磁存儲和鐵電存儲的優(yōu)點，能夠大大推動電??子器件小型化和多功能化的發(fā)展，從而在未來的科技發(fā)展中占據(jù)舉足輕重的地??位。圖１．４給出的是四態(tài)磁電隨機存儲器件示意圖，該器件總共由上中下三部分??組成，頂部是磁性自由層，磁矩可以自由翻轉(zhuǎn)，中間是金屬間隔層或者隧道勢??壘層，底部是多鐵層，同時存在鐵電序和鐵磁序，該層的鐵電極化可以上下翻??轉(zhuǎn)，分別記為土Ｐ，但是磁矩是不可以翻轉(zhuǎn)的。當(dāng)磁性自由層的磁矩與多鐵層的??磁矩平行時電阻較小，記為ｒ，反平行時電阻較大，記為Ｒ。通過翻轉(zhuǎn)磁性自由??層的磁矩和多鐵層的鐵電極化，就可以出現(xiàn)四種狀態(tài)，即（ｒ，－Ｐ）、（ｒ，＋Ｐ）、（Ｒ，??－Ｐ）和（Ｒ，＋Ｐ）［２１］。??當(dāng)然，多鐵性材料的研究不僅僅限于磁電效應(yīng)，隨著科學(xué)的進步與技術(shù)的??發(fā)展

（ｃ）?２—２?（ｄ）?３—３??圖１．３四種常見的復(fù)合多鐵材料結(jié)構(gòu)示意圖，（ａ）０－３顆粒型；（ｂ）ｌ－３圓柱型；（ｃ）２－２薄片型；??（ｄ）?３－３?扶梯型［１５］。??１．０多鐵性材料的應(yīng)用??目前人們研宄最多的多鐵性材料是鐵電性與磁性共存的材料，也就是磁電??材料。我們已經(jīng)知道磁性材料由于其自發(fā)極化可以隨外加磁場翻轉(zhuǎn)而標(biāo)記邏輯??單元的“０”和“ｒ［１８］，因而鐵磁性材料被廣泛的應(yīng)用在信息存儲和電子學(xué)器件中，??在現(xiàn)代科技中具有及其重要的地位；同鐵磁材料一樣，鐵電材料也可以用于信??息存儲，基于鐵電材料的鐵電隨機存儲器由于其具有非易失性和讀取速度快等??優(yōu)點而具有很大的應(yīng)用前景［１９，?２０］；多鐵性材料同時具有磁有序和鐵電有序，??它如果用于信息存儲中將同時具有磁存儲和鐵電存儲的優(yōu)點，能夠大大推動電??子器件小型化和多功能化的發(fā)展，從而在未來的科技發(fā)展中占據(jù)舉足輕重的地??位。圖１．４給出的是四態(tài)磁電隨機存儲器件示意圖
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本文編號：2885195