BiFeO3/La0.7Sr0.3MnO3多层薄膜的制备与表征

摘要

多铁材料是指包含两种及两种以上铁性(铁电、铁磁、铁弹)的材料。目前铁电有序和铁磁或反铁磁有序共存的铁磁电多铁材料具有磁电耦合效应,引起人们的广泛兴趣。磁电耦合效应使得多铁材料在信息存储、自旋电子学、非线性磁光效应以及传感器等领域具有潜在的应用前景。
　　 BiFeO3是为数不多的室温下铁电性和反铁磁性共存的单相多铁材料,具有畸变钙钛矿结构,空间群为R3c,其铁电转变温度(居里温度)为Tc=1103 K,反铁磁转变温度(奈尔温度)为TN=643 K。目前,多铁BiFeO3和其他钙钛矿结构的材料制备成多层薄膜,进而研究其中的电、磁性质和磁电合效应是一个较前沿的研究方向。本文分别在Si(001),(110)和SrTiO3(STO)(001),(110)衬底上采用射频磁控溅射的方法制备了La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)单层薄膜、BiFeO3(BFO)单层薄膜和BFO/LSMO多层膜。通过透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(.AFM)、X射线衍射(XRD)、X射线全反射(XRR)、荧光光谱(PL)、低温测量系统、铁电测量系统等分析测试手段,研究了BFO单层薄膜、LSMO单层薄膜和BFO/LSMO多层薄膜的形貌、结构、厚度、光学和电学性质。主要研究成果如下:
　　 1.分别在Si(001),(110)和STO(001),(110)衬底上采用射频磁控溅射的方法分别制备了LSMO单层薄膜和BFO单层薄膜,并在STO(001),(110)衬底上制备了BFO/LSMO多层膜,分析了衬底和沉积温度、溅射气压、溅射功率等工艺参数对薄膜结构和性能的影响。通过实验和分析找到了在STO(001)衬底上BFO/LSMO多层膜的最佳工艺参数。制备了一系列择优取向明显的BFO/LSMO多层膜。
　　 2.对生长在STO(001)衬底上择优取向的BFO单层膜与BFO/LSMO多层膜进行了光学性质的测试得知具有较强的荧光特性。对透射电镜及电子衍射图谱的分析可以知道BFO和LSMO层均受到衬底STO的应力影响,晶体结构由四方向赝立方转变,且同种材料在相同的沉积时间随着层数的增多子层厚度增加。AFM图谱的上电极表面粗糙度、晶粒大小与下电极不同,同样表明衬底应力影响薄膜生长。X-射线分析表明生长的薄膜具有择优取向,且通过X射线全反射测试和公式计算获得薄膜的厚度。
　　 3.测试了系列BFO/LSMO多层膜的电滞回线、R-T曲线和Ⅰ-Ⅴ曲线。经分析可知多层薄膜均存在电诱导现象与居里转变温度,BFO、LSMO以串联的方式结合在一起。LSMO层起着外磁场的作用,外磁场同内磁场作用相同会使La0.7Sr0.3MnO3层的铁磁性增强;BFO层起着外电场的作用,外电场同内电场作用相同会使BFO层中的漏电机制随着电场强度的改变而改变,使多层膜的金属一绝缘转变温度随BFO厚度的增加电阻增大,且向低温方向移动。
　　 4.热处理与掺杂对生长在STO(001),(110)衬底上的BFO/LSMO多层膜有较明显的影响。并对多层膜进行了电学性质的测试可知热处理后多层膜的电阻明显降低、Tc转变温度增大;掺杂使相同厚度的BFO单层膜电阻增大,且热处理对掺杂的BFO单层膜与BFO/LSMO多层膜有同样的影响。