BiFeO3/La0.65Sr0.35MnO3异质结构铁电及电学性能的AFM研究

摘要

在过去几十年里，多铁材料因为同时存在多种铁性有序，引起了基础科学和应用技术领域研究者们的极大兴趣，在高密度存储器，机电器件和自旋电子设备中有很大的应用潜力。铁酸铋（BiFeO3，BFO）不含有铅元素（环境友好）、化学稳定性好、其居里温度和奈尔温度分别为Tc~1100 K和TN~640 K，是目前发现唯一一种在室温下呈现多铁性质的材料，同时具有铁电性、G型反铁磁性、结构可调性、光伏特性等优良性质，在多个领域应用前景巨大。
　　然而，Bi元素挥发引起的Bi缺陷和氧空位（VBi和VO）造成了BFO具有较高的漏电流，严重地影响了BFO的多铁性质及器件应用。众所周知，在铁酸铋的纳米结构中，如纳米薄膜、纳米线、纳米岛、量子点等，由于制备工艺的严苛，晶格缺陷的产生往往不可避免。研究发现，BFO内在缺陷类型和浓度通常会影响样品的性能，进而影响其应用。通过掺杂、替代或加入添加剂的方法，可以改善BFO性能。但这些方式在提高BFO性质的同时，会引起其结构的改变或杂相的产生。虽然之前有课题组对 BFO中存在的缺陷进行了报道，但仍然缺少一个系统而更加微观的研究。随着铁电、压电器件的小型化和对局部行为不断增长的研究兴趣，人们越来越关注样品的微观性能，希望更深入地理解其物理本质，因而对材料性能的纳米尺度表征显得越来越有意义。基于原子力显微镜（AFM）的多种先进微观表征技术应运而生，借助AFM可以探究内部缺陷与材料性能间的联系，为材料的更广泛应用提供基础研究依据。
　　本文采用Bi元素自掺杂，通过控制BFO薄膜中Bi元素的含量，来达到改善其性质的目的，同时借助多种观测手段（原子力显微镜、压电力显微镜、静电力显微镜、表面开尔文探针显微镜、导电原子力显微镜和扫描电子显微镜等），研究了内部缺陷类型及浓度，对 BFO薄膜及 BFO/LSMO（镧锶锰氧，La0.65Sr0.35MnO3）异质结的铁电性及电学性质的影响。主要研究内容如下：
　　一、采用固相反应法，分别制备了五种不同Bi含量的Bi(1+x)FeO3陶瓷靶材，Bi/Fe比分别为1.0，1.05，1.1，1.25，1.15。由于 Bi元素极易挥发，也为了防止块体陶瓷靶材受热不均匀，烧结过程采用埋粉法，成功制备了致密性良好的陶瓷靶材；
　　二、采用脉冲激光沉积法（PLD），在钛酸锶单晶（STO）衬底上，首先利用反射高能电子枪（RHEED）监控了LSMO层的生长，LSMO层不仅作为底电极，也作为缓冲层，对铁电层BFO的自发极化状态有很大影响，通过观察RHEED振荡曲线，可以得到LSMO层的厚度~4 nm；
　　三、利用 PLD（关闭 RHEED的情况下），在此缓冲层上分别制备了五种不同Bi/Fe比的薄膜，命名为BFO(1.0)、BFO(1.05)、BFO(1.1)、BFO(1.125)和BFO(1.15)；
　　四、利用X射线能谱仪（EDS）对五种样品进行元素分析，得到BFO(1.0)、BFO(1.05)和BFO(1.1)为Bi缺陷类型—Bi(1-δ)FeO3，BFO(1.125)和BFO(1.15)为氧空位类型—BiFeO3-x；扫描电子显微镜测试了截面，结果表明BFO层厚度均为60 nm；
　　五、利用多种扫描探针显微镜（AFM、PFM、EFM、KPFM和 CAFM）对两种不同缺陷类型薄膜的微观铁电和电学性能进行了研究：1.三种Bi缺陷BFO薄膜结晶质量良好，没有杂相产生，表面平整致密，并且三种异质结构中Bi(1-δ)FeO3铁电层都呈现自发极化向下；随着Bi缺陷的减少，BFO薄膜的自发极化强度和压电响应也随之增大，表面电荷密度和表面电势逐渐增大，异质结构的导电性和漏电流减弱，整流特性明显；2.两种氧空位类型BiFeO3-x薄膜自发极化方向向上，随氧空位增加，薄膜形貌原子级平整遭到破坏，铁电性减弱，表面电荷密度及表面电势减小，异质结构导电性增加，漏电流增加，出现双极性电阻开关特性，并在BFO(1.15)中出现了Bi2O3杂相；这些结果的出现可以用极化不连续理论和能带理论来解释；
　　六、利用热蒸镀仪成功制备了宏观测试的上电极——金电极；并利用铁电测试系统对五种薄膜结构进行了宏观铁电性能及漏电流的测试，比较 Bi缺陷及氧空位对极化强度的影响，结果表明随着内部缺陷的增加，薄膜铁电性降低，漏电流成倍增加，在Bi缺陷BFO薄膜中，BFO(1.1)的最大剩余极化值最大，~4.5μCcm-2；在氧空位类型薄膜中，BFO(1.125)电滞回线相对趋于饱和，Pr~3μCcm-2。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 铁酸铋材料简介

1.3 铁酸铋材料的研究历史

1.4 本文的研究背景及研究内容

参考文献

第2章 样品制备工艺与分析方法

2.1 靶材制备

2.2 薄膜制备方法

2.3 扫描探针显微镜

2.4 其他测试方法

2.5 本章小结

参考文献

第3章 Bi缺陷对Bi(1-δ)FeO3/LSMO/STO异质结构性能的影响

3.1 引言

3.2 衬底的选择与缓冲层的制备

3.3 Bi(1-δ)FeO3/LSMO/STO样品的制备

3.4 Bi(1-δ)FeO3/LSMO/STO的结构测试和形貌表征

3.5 Bi缺陷对Bi(1-δ)FeO3/LSMO/STO异质结构性能的影响

3.6 本章小结

参考文献

第4章 氧空位对BiFeO3-δ/LSMO/STO异质结构性能的影响

4.1 引言

4.2 BiFeO3-δ/LSMO/STO样品的制备

4.3 BiFeO3-δ/LSMO/STO的结构测试和形貌表征

4.4氧空位对BiFeO3-δ/LSMO/STO异质结构性能的影响

4.5 本章小结

参考文献

第5章 结论与展望

致谢

攻读学位期间发表的学术论文