退火温度对BNTF薄膜结构和性能影响的研究

摘要

在一定范围的温度内，多铁性材料中同时存在铁电性（反铁电性）、铁磁性（反铁磁性）等多种铁性，磁和电有序之间存在耦合作用，可以实现电、磁之间的相互调控，为新器件设计提供了新的可能性。近年来，越来越多的科学家对多铁性材料中包含的物理原理产生了浓厚的兴趣，并专注于这方面的研究。在相对较高的温度下，已经发现了BiMnO3和BiFeO3的铁电有序和磁有序共存。其中的BiFeO3具有反铁磁性（尼尔温度~370℃）和铁电性（居里温度~810℃）。但是由于铁离子的化合价变化和氧的化学计量比问题导致了BiFeO3材料具有一些缺陷，比如疲劳特性明显、漏电流大、磁电耦合效应不明显等。为了提升多铁性完善材料的性质，人们研究出了单相铋基类钙钛矿材料，比如 Bi5Ti3FeO15。这是将 BiFeO3合成进 Bi4Ti3O12形成了两个(Bi2O2)2+层分别夹在中间的四层钙钛矿结构。其中(Bi2O2)2+层在减少空间电荷方面起到了重要的作用。但是多晶Bi4Ti3O12和Bi5Ti3FeO15材料仍然存在剩余极化强度小、抗疲劳特性差等缺点。最近的一些报道显示La或者Nd掺杂取代Bi4Ti3O12材料可以提升样品的抗疲劳特性、增大剩余极化强度，但是掺杂Nd仍然不能提升BiFeO3的多铁性和电输运性能。值得注意的是，研究显示Bi3.15Nd0.85Ti3O12具有高极化强度而且没有疲劳现象。
　　本论文中我们为了研究退火温度对Bi4.15Nd0.85Ti3FeO15(BNTF)薄膜的影响，使用MOD法在(111)Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备了由BiFeO3和Bi3.15Nd0.85Ti3O12共生的薄膜，分别在700℃、750℃、780℃时退火，形成了四层的铋基类钙钛矿结构。详细研究了退火温度对薄膜结构、表面形貌、表面电响应、电滞回线、漏电流、疲劳特性、热释电系数、电输运和常温下磁性，主要结论如下：
　　1.制备样品的退火温度为700℃~780℃时，温度升高宏观上提高了样品的剩余极化强度改良了样品的铁电性能，漏电流在700℃~750℃是随温度上升的，但是我们发现780BNTF的漏电流密度小于750BNTF；微观上，样品的表面粗糙度、颗粒尺寸、表面电响应增大，从而铁电性能得到增强。其中，780℃退火的BNTF薄膜，样品的生长方向发生了一些改变形成与其它两个样品不同的织构，而这种织构有助于提升薄膜的铁电性能，降低薄膜的漏电流密度。
　　2. BNTF薄膜仍然存在疲劳现象，但是抗疲劳特性相比一般的铋基类钙钛矿材料已经有所提升，疲劳损耗在10％以内。在室温到200℃温度范围内，700BNTF和750BNTF的热释电系数变化很小而780BNTF的热释电系数变化很大。
　　3. BNTF薄膜室温下没有宏观铁磁性。从10K到室温，BNTF薄膜的电导率随温度升高而线性下降，呈现金属特性。

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注释表

第一章 绪论

1.1课题背景及其意义

1.2多铁性简介

1.3 铁电薄膜的制备工艺方法

1.4 制备铁电薄膜中的退火工艺

1.5铋层状钙钛矿结构和研究现状

1.6 研究目的与内容

第二章 BNTF薄膜的制备、结构与性能表征方法

2.1 金属有机分解法(MOD)

2.2 BNTF薄膜的制备

2.3 BNTF薄膜结构表征

2.4 BNTF薄膜的性能表征测试

第三章 退火温度对BNTF薄膜的结构、电学性能的影响

3.1 BNTF薄膜的结构和表面形貌分析

3.2 BNTF薄膜的电学性能测试

3.3 本章小结

第四章 BNTF薄膜的疲劳特性、热释电和磁性研究

4.1 不同退火温度的BNTF薄膜疲劳特性研究

4.2 不同退火温度的BNTF薄膜热释电性能测试

4.3 BNTF薄膜的磁性能测试

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文