【摘要】：在這個(gè)信息迅猛更換的短短幾十年里,多鐵材料因?yàn)橥瑫r(shí)存在多種鐵性有序以及磁電耦合效應(yīng),引起了研究者們對基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的極大興趣,這使得多鐵材料在高密度存儲器,機(jī)電器件以及自旋電子設(shè)備中有很大的應(yīng)用潛力。而作為多鐵材料中一個(gè)具有良好性能的的材料——鐵酸鉍(BiFeO_3,BFO)涌入研究者的眼前,鐵酸鉍不含有鉛等有毒元素,無污染,對環(huán)境友好、并且化學(xué)穩(wěn)定性好、其居里溫度和奈爾溫度分別為Tc~1100 K和T_N~640 K,是目前發(fā)現(xiàn)極少數(shù)的一種在室溫下仍然呈現(xiàn)多鐵性質(zhì)的材料,而且同時(shí)具有鐵電性、G型反鐵磁性、結(jié)構(gòu)可調(diào)性、光伏特性等優(yōu)良性質(zhì),在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用前景巨大。然而,鐵酸鉍本身也存在各種各樣的問題,比如:Bi元素?fù)]發(fā)引起的Bi缺陷和氧空位(V_(Bi)和V_O)造成了BFO具有較高的漏電流,嚴(yán)重地影響了BFO的多鐵性質(zhì)及器件應(yīng)用。由于在制備鐵酸鉍的奈米結(jié)構(gòu)時(shí)的工藝比較嚴(yán)苛,所以我們會的得到有晶格缺陷的鐵酸鉍納米材料,晶格缺陷會嚴(yán)重影響材料的性質(zhì),但是缺陷的產(chǎn)生也是不可避免的,所以研究者們就通過各種辦法來解決這種缺陷,比如:摻雜(自摻雜和他摻雜)、元素替代以及加入其它的試劑等,以來提高鐵酸鉍薄膜的性能,但是這樣會引起其結(jié)構(gòu)的改變以及雜相的產(chǎn)生;為了防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生,研究者們就試圖在不改變鐵酸鉍結(jié)構(gòu)的前提下通過改變外界的條件來優(yōu)化鐵酸鉍的性能,比如說加激光,由于鐵酸鉍薄膜具有光電效應(yīng),能夠產(chǎn)生光生載流子所以會讓鐵酸鉍薄膜內(nèi)部的電荷進(jìn)行重新組合和分布,從而可以改變鐵酸鉍薄膜的性質(zhì)。近幾年來,隨著鐵電、壓電器件的小型化、精細(xì)化以及對內(nèi)部結(jié)構(gòu)生長行為的研究興趣的增長,人們可以應(yīng)用的外加體檢越來越多,為了使研究的材料的性能更加的優(yōu)化,在試驗(yàn)過程中會采用不同的實(shí)驗(yàn)手段對材料進(jìn)行測試,因而對材料性能的納米尺度表征顯得越來越有意義�；谠恿︼@微鏡(AFM)的多種先進(jìn)微觀表征技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,借助AFM可以探究內(nèi)部缺陷與材料性能間的聯(lián)系,以及借助AFM的外加的實(shí)驗(yàn)條件,為材料的更廣泛應(yīng)用提供基礎(chǔ)研究依據(jù)。本文采用外加磁場的方法進(jìn)行鐵酸鉍薄膜性質(zhì)的探究,通過控制磁場強(qiáng)度額大小以及方向,來達(dá)到改善其性質(zhì)的目的,同時(shí)借助多種觀測手段(原子力顯微鏡、壓電力顯微鏡、靜電力顯微鏡、表面開爾文探針顯微鏡、導(dǎo)電原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡等),研究了磁場強(qiáng)度對鐵酸鉍/摻鈮鈦酸鍶(BiFeO_3/Nb:SrTiO_3)異質(zhì)結(jié)的鐵電性及電學(xué)性質(zhì)的影響。主要研究內(nèi)容如下:一、采用固相反應(yīng)法,制備了具有高質(zhì)量的鐵酸鉍陶瓷靶材,Bi/Fe比為1.25。由于Bi元素極易揮發(fā),為了防止在燒結(jié)過程中Bi的丟失,也為了防止塊體陶瓷靶材受熱不均勻,燒結(jié)過程采用埋粉法,另外也使Bi的用量稍微多一點(diǎn),成功制備了致密性良好的陶瓷靶材;二、采用脈沖激光沉積法(PLD),在摻鈮鈦酸鍶單晶(NSTO)襯底上,首先利用反射高能電子槍(RHEED)監(jiān)控了鐵酸鉍薄膜的生長,由于降溫時(shí)氧壓過高,所以關(guān)閉了RHEED,這里的NSTO作為底電極,當(dāng)然BFO與NSTO的晶格失配也不大,對BFO的結(jié)構(gòu)生長不會有太大的變化;三、利用多種掃描探針顯微鏡(AFM、PFM、EFM、KPFM和CAFM)在改變外加磁場強(qiáng)度的情況下對鐵酸鉍薄膜的微觀鐵電和電學(xué)性能進(jìn)行了研究:1.BFO薄膜結(jié)晶質(zhì)量良好,沒有雜相產(chǎn)生,表面平整致密,并且鐵酸鉍薄膜鐵電層都呈現(xiàn)自發(fā)極化向上;2.對鐵酸鉍薄膜進(jìn)行外加磁場的操作,隨著磁場強(qiáng)度的增強(qiáng),BFO薄膜的自發(fā)極化強(qiáng)度和壓電響應(yīng)也隨之增大,表面電荷密度鐵酸鉍薄膜表面電勢逐漸增大,異質(zhì)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性和漏電流減弱,整流特性明顯;3.為了進(jìn)一步了解鐵酸鉍薄膜的性能,我們在保證磁場強(qiáng)度相同的條件下觀測其保持性的性能,通過時(shí)間間隔為0h-10h-15h,每5個(gè)小時(shí)進(jìn)行測試,我們的到另一個(gè)結(jié)論高磁場強(qiáng)度下鐵酸鉍薄膜的保持性特別好,幾乎沒有生變化;4.為了排除磁場方向?qū)﹁F酸鉍薄膜性能的影響,我們在對鐵酸鉍薄膜進(jìn)行單點(diǎn)測試時(shí),改變了磁場強(qiáng)度,結(jié)果表明磁場強(qiáng)度對鐵酸鉍薄膜的影響幾乎可以忽略,而影響鐵酸鉍薄膜性質(zhì)的只有磁場強(qiáng)度,這些結(jié)果的出現(xiàn)可以用極化不連續(xù)理論和能帶理論來解釋;
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.2;TQ135.32
【圖文】：

鐵酸鉍（BFO）是一種多鐵材料，它同時(shí)也是典型的鈣鈦礦（ABO3）結(jié)構(gòu)，并且是 I 型多鐵性的經(jīng)典范例，這就意味著對于不同的位置影響著材料的性能：其中由于 A位的離子為半徑較大的，并且含有孤對電子的（6s 電子），同時(shí)具有化學(xué)性質(zhì)相對活潑的 Bi 元素，這也是是引起 BFO 發(fā)生結(jié)構(gòu)扭曲和產(chǎn)生鐵電性的主要原因；而對于 B 位，它是半徑較小的而 d 軌道處于為半填充的 Fe 離子，這個(gè)位置主要是引起了材料的磁有序特性[17]。鐵酸鉍（BFO）陶瓷的各個(gè)方面的性質(zhì)和性能并未表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，所以我們在研究的通常是薄膜狀態(tài)，在此狀態(tài)下 BFO 結(jié)構(gòu)通常會呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)形式，通常為：菱面體結(jié)構(gòu)（R）和四方結(jié)構(gòu)（T）。R 相和 T 相的面外晶格參數(shù)分別是 4.06 埃和 4.65埃，因?yàn)槊鎯?nèi)晶格參數(shù)會受到襯底的約束，所以會有輕微的變化，R 相約為 3.8 埃，T相約為 3.7 埃[18]。因此 BFO 的 c/a 比會從 R 相的 1.07 埃變化到 T 相的 1.27 埃，通常會在 10 個(gè)晶胞的范圍內(nèi)產(chǎn)生 16%的相對的差值[19]。

磁場對鐵酸鉍薄膜電學(xué)性質(zhì)的影響它的因素，比如：極化疲勞與鐵彈疇壁有關(guān)系,而薄膜的轉(zhuǎn)換。FO）作為一種特別具有代表性的鐵電材料。自上世紀(jì) 的研究及應(yīng)用開發(fā)，已經(jīng)成為很多研究者的工作的重要一個(gè)重要的的研究課題。在一定溫度（Tc）下，由于晶引起偶極矩不為零，材料因此會產(chǎn)生出自發(fā)極化，這些方向會隨著電場的方向的改變而發(fā)生改變。但當(dāng) T>T鐵電相轉(zhuǎn)變成為順電相，也就是說此時(shí)的鐵電極化方向化，它會保持自己原有的極化方向。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前5條

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本文編號：2712669