Ba(Fe1/2Nb1/2)O3基薄膜的PLD生长、结构与性能

摘要

Ba(Fe1/2Nb1/2)O3陶瓷是重要的巨介电材料，关于其特殊介电行为的物理本质一直存在争议，是否具有铁电性更是争论的焦点。本研究利用脉冲激光沉积法在Pt/TiO2/SiO2/Si基片上制备Ba(Fe1/2Nb1/2)O3基复合钙钛矿薄膜，深入探讨了生长条件对Ba(Fe1/2Nb1/2)O3薄膜的晶体结构、表面形貌和物理性能的影响，通过对微区结构的研究和分析，揭示了Ba(Fe1/2Nb1/2)O3薄膜铁电性的微结构根源，为其介电弛豫提出了新的本征物理机制。
　　 X射线衍射(XRD)数据显示，Ba(Fe1/2Nb1/2)O3多晶薄膜具有比块体样品大的晶胞参数。并且随着沉积氧分压的降低，其晶胞参数不断增大。通过不同衍射峰计算得到的平均晶胞参数的标准偏差也不断增大，证明Ba(Fe1/2Nb1/2)O3多晶薄膜可能存在一定程度的晶格畸变，并且随着沉积氧分压的减小，晶格畸变增大。同时，沉积条件对薄膜的表面形貌也有显著地影响，升高沉积温度和降低沉积氧分压都能使晶粒发生明显增大。
　　 在室温下，Ba(Fe1/2Nb1/2)O3多晶薄膜具有明显的电滞回线与相应的蝶形C-V回线，证明其在室温下具有一定的铁电性。随着沉积氧分压的升高，其剩余极化强度减小。氧气氛退火处理对其铁电性也有明显的抑制作用。123 K时，Ba(Fe1/2Nb1/2)O3多晶薄膜具有近似饱和的电滞回线，且其对应的电流-电压曲线具有宽展的峰，证实了铁电畴反转对极化的贡献。Ba(Fe1/2Nb1/2)O3多晶薄膜的介电弛豫与陶瓷块体类似，在100-400 K的温度范围内存在热激活的介电弛豫，且伴随强烈的频率色散。此外，其介电常数平台的数值受沉积条件的影响显著，较高沉积温度下制备的Ba(Fe1/2Nb1/2)O3多晶薄膜在室温(298 K)，10 kHz下的介电常数可达2495，对应的介电损耗约8％。
　　 Ba(Fe1/2Nb1/2)O3-BaTiO3固溶体及Ba(Fe1/2Nb1/2)O3多晶薄膜拉曼光谱的研究提供了Ba(Fe1/2Nb1/2)O3局域对称性破缺与成分涨落的微结构证据，而这种局域对称性破缺便是其铁电性的微结构根源。Ba(Fe1/2Nb1/2)O3在高波数区存在明显的拉曼峰的分裂现象，证明存在微区成分不均匀性，即微区存在Nb富集区和Fe富集区。由成分不均引起的局域对称性破缺很可能是引起Ba(Fe1/2Nb1/2)O3铁电性的结构根源。此外，Ba(Fe1/2Nb1/2)O3薄膜的拉曼光谱显示，高波数区拉曼峰的半高宽随沉积氧分压的降低而减小，证明氧空位对产生微区成分起伏具有推动作用。
　　 Ba[(Fe1/2Nb1/2)0.1Ti0.9]O3薄膜在200-350 K之间存在三个介电异常。首先在略高于室温处有一个微弱的介电弛豫过程。室温附近，Ba[(Fe1/2Nb1/2)0.1Ti0.9]O3薄膜具有一个弥散的铁电相变峰。与陶瓷块体相比，其铁电居里温度向高温方向移动了约30 K。弥散相变温度以下，又出现一个具有明显频率色散的介电弛豫。这一介电弛豫可能与沿其它极化方向的铁电微畴的形成有关。电滞回线的测试表明，随着温度的降低，极化值逐渐增大并趋向饱和。拉曼光谱显示，薄膜在室温下具有四方BaTiO3的特征拉曼振动模，表明薄膜中存在与Ti4+的位移相关的极性微区。此外，与陶瓷块体的拉曼光谱对比发现，Ba[(Fe1/2Nb1/2)0.1Ti0.9]O3薄膜在452和610 cm-1附近存在两个特有的拉曼振动模，表明薄膜中还存在着其它的结构畸变。