多铁性BiFeO3薄膜和Fe3O4/BiFeO3复合薄膜的结构、磁性和铁电性

摘要

磁电材料是一种同时具有铁磁(反铁磁)/铁电性和磁电耦合特性的功能材料，它可以实现电写磁读并降低能量损耗，因此多铁性材料具有重要的应用价值。BiFeO3是目前发现的唯一具有反铁磁性和铁电性的室温多铁材料，因磁性较弱难以实现强磁电耦合效应而限制了其在磁电存储器方面的应用。我们通过制备Fe3O4/BiFeO3铁磁/铁电复合薄膜实现了磁性增强，并且发现了界面强磁电耦合效应。
　　本论文用磁控溅射法制备了多晶和外延BiFeO3薄膜、外延Fe3O4薄膜以及Fe3O4/BiFeO3异质外延结构，并对它们的结构、磁学性质和铁电特性进行了实验研究。
　　不同退火条件下制备的多晶和外延BiFeO3薄膜均为纯相正分ABO3型钙钛矿结构，薄膜的致密性和外延特性随着氧分压的增加而提高。由于BiFeO3具有~62nm周期长度的G型螺旋磁结构，外延BiFeO3薄膜的磁化强度随薄膜厚度的增大而单调减小。不同条件下退火的BiFeO3薄膜的电流-电压测量曲线表明薄膜的整流效应与氧空位的填充和缺失密切相关，这是由于改变退火条件(如氧分压)可以调控氧空位的密度，而氧空位是铁电薄膜中产生漏电流的主要原因。
　　Fe3O4/BiFeO3异质外延结构的饱和磁化强度与BiFeO3薄膜厚度存在反比例变化关系，尤其是在BiFeO3薄膜厚度降低到~22nm时，与单层BiFeO3薄膜和Fe3O4薄膜相比，Fe3O4/BiFeO3异质结的饱和磁化强度值增大了33％，其物理机制是在外加磁场的作用下，Fe2BO4/FeO界面层处的两相通过轨道重组发生铁磁双交换作用以及Fe离子磁矩反转为铁磁排列而导致磁矩增强。经计算，Fe3O4/BiFeO3异质结的两相在界面处只需分别提供5nm/3nm的厚度层便可实现饱和磁化强度值增大33%。在铁电性方面，与单层BiFeO3薄膜相比，Fe3O4/BiFeO3/Nb:SrTiO3异质结的整流比值增大了约三个量级，这是由电极与薄膜界面处形成的不同高度的肖特基势垒所导致的。

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第一章 综 述

1.1 铁电材料及其基本性质

1.2 磁性材料及其应用

1.3 多铁性材料的研究进展

1.4 室温多铁材料BiFeO3的研究现状

1.5 薄膜的制备方法

1.6 本论文的工作

第二章 样品制备、结构表征与物性测量

2.1 射频磁控溅射原理

2.2 薄膜样品的制备

2.3 结构表征与物性测量

第三章 多晶和外延BiFeO3薄膜的结构与性质

3.1 多晶BiFeO3薄膜的结构、成份和磁电输运性质

3.2 外延BiFeO3薄膜的结构、成份和磁电输运性质

3.3 多晶和外延BiFeO3薄膜中整流效应的比较

3.4 本章小结

第四章 Fe3O4/BiFeO3外延异质结的结构与性质

4.1 Fe3O4/BiFeO3外延异质结的制备与结构表征

4.2 Fe3O4/BiFeO3外延异质结的磁学性质

4.3 Fe3O4/BiFeO3外延异质结的铁电性质

4.4 本章小结

第五章 结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢