环境友好型BaTiO3/FeBSi、Fe:BaTiO3及 Fe:BaTiO3/FeBSi多铁性薄膜的研究

摘要

多铁性材料是一类同时具有(反、亚)铁磁、(反)铁电、铁弹中两种或两种以上铁性有序,并且不同铁性序参量之间存在耦合的多功能材料,其具有丰富的物理内涵及广阔的应用前景,是当前的研究热点之一。
　　 多铁性材料按组成分类,可分为单相和复合多铁性材料,单相多铁性材料为人们展现了丰富的物理内涵,但遗憾的是其居里温度太低或磁电耦合较弱,难以在实际应用中发挥作用；复合多铁性材料的可设计性比较强,人们在其中获得了巨磁电耦合系数,取得了突破。
　　 本文先把高磁导率、高压磁系数的铁磁／磁致伸缩材料FeBSi与广泛研究的环境友好型无铅铁电／压电材料BaTiO3(BTO)以薄膜形式复合在一起制备BTO／FeBSi复合薄膜,目前尚未见到其他研究小组对此种复合多铁性薄膜的相关报道；然后改性BTO,用离子注入技术在BTO薄膜中注入Fe离子,对Fe:BTO薄膜进行研究,同时为下一步的研究打下基础；最后制备Fe:BTO／FeBSi复合薄膜,与BTO／FeBSi复合薄膜进行比较研究。
　　 1.结合脉冲激光沉积和离子束溅射技术制备了BTO、FeBSi单层薄膜和BTO／FeBSi复合薄膜。室温拉曼光谱表明BTO薄膜以四方结构存在,室温X射线衍射表明FeBSi薄膜处于非晶态；BTO／FeBSi复合薄膜中除了基底及BTO的衍射峰外没有其它衍射峰的存在,在X射线衍射仪探测精度内未发现杂质相,BTO与FeBSi之间未发生化学反应。在BTO／FeBSi复合薄膜的断面扫描电子显微镜图中观察到了FeBSi薄膜和BTO薄膜之间的清晰的界面,二者是以2-2型结构复合在一起的。BTO／FeBSi复合薄膜在室温下同时具有良好的铁电性和铁磁性,并且其中存在较强的由应力传递的磁电耦合,其是一种非常有前景的多铁性材料,为多功能器件的开发提供了新的材料。
　　 2.利用金属蒸发真空电弧技术在由脉冲激光沉积制备的约590 nm厚的BTO薄膜中注入不同剂量的Fe离子,从而制得系列Fe:BTO薄膜。Fe2p的X射线光电子能谱表明Fe离子在BTO薄膜中以Fe3+形式存在。用SKIM(the Stoppingand Range of Ions in Matter)软件包模拟Fe离子在BTO薄膜中的注入深度,发现所有Fe离子都存在于BTO薄膜中而未进入基底。当Fe离子的注入剂量为3×1016cm-2和5×1016 cm-2时,3×1016Fe:BTO和5×1016Fe:BTO薄膜在具有较强室温铁磁性的同时保持着良好的室温铁电性,在低温下处于团簇玻璃态,其磁行为源于位置分布有一定随机性的Fe3+磁性离子之间的复杂的交换相互作用。更重要的是,3×1016Fe:BTO和5×1016Fe:BTO薄膜在发生铁电-顺电相变(四方-立方结构相变)时,Fe3+磁性离子的位置受到了影响,它们之间的交换相互作用发生了变化,从而使薄膜的磁化强度出现了突变,3×1016Fe:BTO和5×1016Fe:BTO薄膜中存在明显的磁电耦合现象,并且随着Fe离子注入剂量的增大,磁电耦合增强。当Fe离子的注入剂量大于1×1016cm-2,小于8×1016 cm-2时,Fe:BTO薄膜可以作为一种多铁性材料应用在多态存储器、磁场传感器等多功能器件方面。
　　 3.结合脉冲激光沉积和多功能离子注入与离子束溅射系统制备了BTO／FeBSi、3×1016Fe:BTO／FeBSi、5×1016Fe:BTO／FeBSi复合薄膜。先用金属蒸发真空电弧离子注入技术在BTO薄膜中注入Fe离子,得到Fe:BTO薄膜,然后再把它与FeBSi薄膜复合,制得的3×1016Fe:BTO／FeBSi、5×1016Fe:BTO／FeBSi复合薄膜的磁电耦合并不比BTO／FcBSi复合薄膜的磁电耦合强。注入的Fe离子并不会完全进入BTO薄膜的晶格位置,而是以一定的随机性分布在BTO薄膜中,并在一定程度上破坏了BTO的晶格结构,离子注入这种非平衡生长技术不太适合用来改变BTO的四方性,尝试用其它的平衡生长方法,比如采用脉冲激光沉积利用Ba(Ti,Fe)O3靶生长Ba(Ti,Fe)O3薄膜,然后再与FeBSi薄膜复合制备Ba(Ti,Fe)O3／FeBSi复合薄膜,这样可能会增强BTO／FeBSi复合薄膜的磁电耦合。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 多铁性材料简介

1.1.1 多铁性材料的概念及其分类

1.1.2 多铁性材料的应用前景

1.1.3 多铁性材料的研究历史及研究现状

1.2 本文的选题依据及研究思路

2 样品的制备技术及表征手段

2.1 样品的制备技术

2.1.1 脉冲激光沉积设备

2.1.2 多功能离子注入与离子束溅射系统

2.2 样品的表征手段

2.2.1 样品结构、形貌及元素价态的分析手段

2.2.2 样品性能的测试手段

3 BaTiO3/FeBSi多铁性薄膜的研究

3.1 样品的制备

3.2 样品的结构及形貌

3.3 样品的性能

3.4 本章小结

4 Fe:BaTiO3多铁性薄膜的研究

4.1 引言

4.2 样品的制备

4.3 样品的结构及元素价态

4.4 样品的性能

4.5 本章小结

5 Fe:BaTiO3/FeBSi多铁性薄膜的研究

5.1 样品的制备

5.2 样品的性能

5.3 本章小结

6 结论

参考文献

致谢

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