本文關(guān)鍵詞：鐵電材料的光學(xué)及輸運(yùn)性質(zhì)的研究和應(yīng)用

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【摘要】：鐵電性材料所具有的獨(dú)特物理性質(zhì),以及與鐵電性相關(guān)的多物性耦合所帶來(lái)的新奇物理現(xiàn)象,不僅在基礎(chǔ)物理領(lǐng)域引起人們的廣泛興趣,在鐵電光伏、鐵電存儲(chǔ)器、壓電材料、鐵電隧道結(jié)等諸多電子工業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域也被人給予厚望。本文對(duì)多鐵性鐵電材料BiFe O_3薄膜材料的諸多新奇光學(xué)性質(zhì)及表面輸運(yùn)特性展開(kāi)了系統(tǒng)研究,并基于對(duì)該材料物性的調(diào)控提出了可能的應(yīng)用。此外對(duì)傳統(tǒng)鐵電性材料PbTiO_3成功實(shí)現(xiàn)了電子摻雜,對(duì)其鐵電性和金屬導(dǎo)電性進(jìn)行了人工設(shè)計(jì)和調(diào)控,從而為一種自然界非常少見(jiàn)的材料“鐵電金屬”給出了出色的候選者。取得的主要研究成果如下:1.利用激光分子束外延(Laser-MBE)技術(shù),在Nb-doped SrTiO_3、SrTiO_3等襯底上制備了不同厚度的BiFe O_3薄膜。利用原子力顯微鏡技術(shù)(AFM)以及壓電響應(yīng)力顯微技術(shù)(PFM),在BiFeO_3薄膜表面不同區(qū)域加不同電場(chǎng)刻寫(xiě)出條狀疇結(jié)構(gòu)。利用開(kāi)爾文力顯微鏡(KPFM)技術(shù)探測(cè)條狀疇結(jié)構(gòu)的表面電勢(shì)信號(hào),通過(guò)光照BiFeO_3薄膜材料表面,使表面電勢(shì)在長(zhǎng)時(shí)間的馳豫和衰減后大大恢復(fù),成為一種非揮發(fā)性信號(hào)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論的研究表明,光至表面電勢(shì)恢復(fù)主要是來(lái)自于BiFeO_3薄膜不同鐵電極化疇區(qū)域的鐵電光伏效應(yīng)。自此,提供了一種讀取鐵電極化信號(hào)的可能途徑。2.利用PFM在BiFeO_3薄膜表面加電場(chǎng),刻寫(xiě)不同寬度、不同間距的鐵電疇極化疇,利用KPFM技術(shù)長(zhǎng)時(shí)間的探測(cè)表面電勢(shì)的衰減過(guò)程。發(fā)現(xiàn),表面電勢(shì)的衰減時(shí)間常數(shù)隨著極化疇尺寸的增大而增大,同時(shí),隨著鐵電極化疇間距的增大而增大。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論模擬共同證明:鐵電材料表面電荷的衰減過(guò)程中占主導(dǎo)原因的是橫向擴(kuò)散,而非以前被廣泛認(rèn)為的向體內(nèi)擴(kuò)散以及空間電荷吸附。從而為今后優(yōu)化電疇結(jié)構(gòu)及鐵電極化疇穩(wěn)定性的研究提供了材料的物性依據(jù)。3.通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間光照鐵電BiFeO_3薄膜材料,同時(shí)探測(cè)照光區(qū)域和未照光區(qū)域表面電勢(shì)差。首次觀測(cè)到具有超長(zhǎng)時(shí)間馳豫的光至影響。通過(guò)理論模擬的結(jié)果結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的探究,我們認(rèn)為長(zhǎng)時(shí)間的光照導(dǎo)致電極化內(nèi)部的局域退極化很有可能是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。這一觀測(cè)為鐵電材料的光至現(xiàn)象,提供了更加深入的認(rèn)識(shí)。4.在傳統(tǒng)鐵電性材料PbTiO_3中摻雜Nb原子替代Ti的位置可以引入電子性摻雜。利用Laser-MBE生長(zhǎng)出了不同濃度Nb摻雜的Pb TiO_3薄膜樣品。隨著摻雜的升高,電導(dǎo)率逐漸升高,當(dāng)Nb的濃度達(dá)到0.12時(shí),樣品的電阻隨溫度的變化曲線呈現(xiàn)出金屬導(dǎo)電性。然而,通過(guò)PFM、鐵電測(cè)試儀、高角度球差校正電子顯微鏡的測(cè)試發(fā)現(xiàn),所有摻雜濃度的樣品都存在晶格的極化畸變,既,電導(dǎo)率變化的過(guò)程中存有一定的鐵電性。這一結(jié)果實(shí)現(xiàn)了鐵電極化與金屬導(dǎo)電性的共存,從而為一種自然界非常少見(jiàn)的材料“鐵電金屬”給出了出色的候選者。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O484

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 董帥;劉俊明;;多鐵性材料:過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)[J];物理;2010年10期

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本文編號(hào)：1261403