多鐵性YMnO3、YFeO3的結(jié)構(gòu)及磁電性能研究.pdf

1、多鐵性材料指的是材料中同時(shí)具有兩種或兩種以上基本鐵性，包括鐵磁性、鐵電性、鐵彈性。材料的性能取決于材料的結(jié)構(gòu)，而材料的結(jié)構(gòu)又可在制備過程中加以調(diào)控，因此多鐵性材料的研究涉及材料、物理、化學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。多鐵性材料是材料科學(xué)領(lǐng)域與凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，它在存儲(chǔ)器、傳感器、自旋電子器件中都有著廣泛的應(yīng)用前景，并有望實(shí)現(xiàn)多態(tài)存儲(chǔ)。由于目前發(fā)現(xiàn)的單相多鐵性材料并不多，且大多在室溫以下才能實(shí)現(xiàn)鐵電和鐵磁的共存，限制了其實(shí)際應(yīng)用，為此，尋找和開發(fā)

2、新型的單相多鐵性材料成為目前學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)問題之一。本論文中，我們首先介紹了多鐵性材料的一些基本性質(zhì)，分析了為什么自然界中缺乏多鐵性材料，并對(duì)現(xiàn)有的多鐵性材料進(jìn)行了分類，然后簡要介紹了YMn〇3(YMO)和YFeOs(YFO)兩種材料的研究現(xiàn)狀，鑒于稀土鐵酸鹽晶體結(jié)構(gòu)的可控性以及其六方結(jié)構(gòu)與稀土錳氧化物的相似性，主要工作圍繞YFO和YMO展開了一系列研究，具體內(nèi)容如下：
　　(1)采用激光脈沖沉積（PLD)法，在鍍有ZnO:4％Al

3、(AZO)電極的Al2〇3(0001)單晶基片上制備了具有(0001)擇優(yōu)取向的Y M O外延膜，研究了薄膜的結(jié)構(gòu)、漏電流及鐵電壓電性能。壓電力顯微測量（PFM)顯示出較強(qiáng)的振幅信號(hào)和相位襯度，并且獲得了清晰的微區(qū)振幅曲線和相位曲線，表明該薄膜具有良好的壓電性和鐵電性。薄膜內(nèi)部產(chǎn)生的最大有效壓電系數(shù)約為20pm_V'薄膜漏電流密度較低，在室溫下，40kV_cm]下的薄膜電阻率為2.3x107 Q_c m，其漏電流密度低于10_6 A_c

4、m_2，導(dǎo)電機(jī)理遵從歐姆定律。P-E測量獲得了明顯的電滯回線，進(jìn)一步證明了薄膜的鐵電性。
　　(2)采用Sol-gel法在Si(100)基片上制備了多鐵性YMnO3薄膜，利用掠入射XRD、AFM對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)及表面形貌進(jìn)行了分析，用PFM技術(shù)研究了納米尺度疇結(jié)構(gòu)及微區(qū)電滯行為，并通過I-V，P-E曲線進(jìn)一步研究了薄膜的漏電流和宏觀電滯行為。結(jié)果表明，該薄膜為六方結(jié)構(gòu)，薄膜表面平整致密，YMnOg晶粒大小均勻，僅幾十納米。該薄膜與Y

5、M O外延膜一樣，其 PFM圖顯示出較強(qiáng)的振幅信號(hào)和相位襯度，且電疇可以在電場作用下發(fā)生近180°的極化翻轉(zhuǎn)。不同之處在于該薄膜表面晶粒所在的區(qū)域構(gòu)成了電疇的基本區(qū)域，鐵電疇基本表現(xiàn)為單疇結(jié)構(gòu)，最大有效壓電系數(shù)約為40pm-V'該薄膜在300K，薄膜的漏電流密度低于10_6A_cm_2，隨著電壓的增加，其導(dǎo)電機(jī)理從遵從歐姆定律轉(zhuǎn)變?yōu)镾CLC機(jī)制。同時(shí)獲得了明顯的室溫電滯回線，當(dāng)外加電場達(dá)370kV_cm]時(shí)，該回線基本達(dá)到了極化飽和。<

6、br>　　(3)采用聚丙烯酰胺溶膠-凝膠方法（sol-gel method)，通過控制合成溫度，制備分別具有正交鈣鈦礦（orthorhombic structure)與六方結(jié)構(gòu)（hexagonal structure)的YFO，對(duì)兩種YFO納米晶粉末的晶體結(jié)構(gòu)、成分、磁性和介電性進(jìn)行了詳細(xì)的研究。磁性分析表明，兩種Y F O都具有弱磁性，o-Y F O的奈爾溫度Tn為645K，而 A-Y F O在877K左右出現(xiàn)了磁性異常轉(zhuǎn)變。從磁滯回

7、線的形狀看，且&Y F O屬于軟磁體，而o-YFO屬于硬磁，且 o-YFO存在明顯的反鐵磁成分。兩者的介電常數(shù)在整個(gè)測量溫度區(qū)間都表現(xiàn)出頻率彌散現(xiàn)象，并且都在T<250K和T>340K出現(xiàn)了由熱激活引起的介電弛豫。另外，A-YFO在297K出現(xiàn)了介電異常峰，其介電常數(shù)-溫度曲線滿足居里-外斯定律并具有輕微彌散特征，推測是空間群P63cm-P6 m c的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。另外，o-YFO具有較大的磁介電效應(yīng)，其磁介電M D最大可達(dá)35.11%。

8、r>　　(4)采用Sol-gel法，分別在YSZ(111)、Si(111)和Si(100)單晶基片上制備Y F O薄膜，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，襯底類型和襯底晶面對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)類型和生長方向有非常重要的影響。在YSZ(111)襯底上，Y F O薄膜以正交鈣鈦礦結(jié)構(gòu)存在，同時(shí)沿(200)和(131)方向擇優(yōu)生長;在S i襯底上，Y F O薄膜以六方結(jié)構(gòu)存在，且薄膜在Si(111)上具有輕微的(004)擇優(yōu)生長，而在Si(100)上具有(110)擇優(yōu)生長。

9、P F M圖顯示，六方Y(jié) F O薄膜顯示出明顯的振幅信號(hào)和相位襯度，不同擇優(yōu)取向的薄膜形成不同形狀的疇結(jié)構(gòu)，且具有c軸取向的薄膜顯示出更明顯的明暗襯度。在Si(100)和Si(111)兩襯底上的兩薄膜漏電流都在10_6A以下，且前者漏電流略大于后者。隨著電壓的增加，其導(dǎo)電機(jī)理從遵從歐姆定律轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g電荷限制電流機(jī)制。在室溫下，六方Y(jié) F O薄膜的剩余極化值Pr與矯頑電場Ec的值較小，表現(xiàn)出弱的鐵電性。
　　(5)采用P L D法，

10、在LAO(111)單晶襯底上制備了具有擇優(yōu)取向的YFeO3/La0.67Sr0.33MnO3異質(zhì)結(jié)，研究了退火前后異質(zhì)結(jié)的磁學(xué)性質(zhì)及電學(xué)性質(zhì)，探討其磁電耦合效應(yīng)。研究結(jié)果表明，LSMO和YFO表面晶粒大小均勻，晶粒排列致密。在空氣中的快速退火處理對(duì)異質(zhì)結(jié)的表面形貌及電學(xué)性質(zhì)都有影響?？焖偻嘶鹎?，YFO/LSMO的I-V曲線表現(xiàn)出異質(zhì)結(jié)特性。結(jié)電阻在整個(gè)溫度區(qū)間呈先上升后下降的趨勢(shì)，同時(shí)表現(xiàn)出雙態(tài)電阻轉(zhuǎn)變行為?？焖偻嘶鸷?，薄膜晶粒稍有長大

11、，晶粒邊界更加清晰，但不影響薄膜的晶體結(jié)構(gòu)。L S M O的R-T曲線和In/YFO/LSMO的I-V曲線表明，L S M O可作為底電極并且YFO/LSMO為較理想的歐姆接觸。另外，受底層L S M O以及鐵電/鐵磁界面效應(yīng)的影響，YFO/LSMO的R-T曲線也出現(xiàn)了異常。P F M圖顯示出YFO薄膜明顯的振幅和相位信號(hào)，表明Y F O具有壓電性及自發(fā)極化的電疇。該法制備的YFO的鐵電極化值比Sol-gel法獲得的Y F O薄膜的極化