Fe、Co、Mn過渡金屬摻雜LiNbO3薄膜鐵電鐵磁性能研究.pdf

1、同時具有鐵電性和鐵磁性的單相多鐵材料在信息存儲，集成電路，磁傳感器以及自旋電子器件等方面具有重要的潛在應用，是近年來研究的熱點。本文用射頻磁控濺射的方法在SiO2/Si(111)基片上制備了Fe、Co、Mn單摻雜和共摻雜的LiNbO3薄膜。使用X射線能譜儀(EDS)、X射線衍射儀(XRD)、X射線光電子能譜儀(xPs)和X射線吸收精細結(jié)構(gòu)(XAFS)技術(shù)分析了薄膜的組分含量、晶體結(jié)構(gòu)、價態(tài)和吸收原子的局域結(jié)構(gòu)，使用振動樣品磁強計(VSM

2、)分析了薄膜的鐵磁性。利用直流磁控濺射的方法在SiO2/Si(100)基片上沉積ITO薄膜作為底電極，并在ITO/SiO2/Si(100)基片上制備Fe、Co、Mn單摻雜和共摻雜的LiNbO3薄膜，使用TF2000鐵電分析儀和Agilent4294A阻抗分析儀測試了薄膜的電學性能。獲得了以下研究結(jié)果:
　　 (1)Mn、Fe摻雜LiNbO3薄膜為R3C空間結(jié)構(gòu)，Mn和Fe均具有+2和+3兩種價態(tài)，薄膜中沒有雜質(zhì)第二相出現(xiàn)。通過對

3、摻雜元素的K邊XANES實驗譜和用第一性原理完全多重散射理論計算得到的XANES譜線相比較發(fā)現(xiàn)，Mn在LiNbO3中占據(jù)Li位同時引入Li空位，F(xiàn)e在LiNbO3中有三種占位，其中約有25％的Fe占據(jù)八面體間隙位，60％的Fe占據(jù)Li位同時引入Li空位以抵消電荷的不平衡，15％的Fe占據(jù)Nb位，薄膜中引入氧空位以抵消電荷的不平衡。Mn、Fe摻雜的LiNbO3薄膜都具有室溫鐵磁性，而且共摻雜LiNbO3薄膜的鐵磁性比單摻雜的要大，并隨著F

4、e摻雜濃度的增加而變大，濃度為2.5at％Mn9.5at％Fe摻雜的樣品有最大的飽和磁化強度25.5emu/cm3。薄膜的鐵磁性來源于Mn和Fe的共同作用，包括Mn3d和Nb4d之間由d-d電子耦合產(chǎn)生的鐵磁性，不同占位的Fe3+在薄膜中的超交換作用和Fe2+和Fe3+之間的雙交換作用產(chǎn)生的鐵磁性，以及可能存在的Mn、Fe之間的鐵磁性交換作用。鐵電性測試表明，薄膜的飽和極化強度為0.0043μC/cm2，矯頑場強為20.8kV/cm，鐵

5、電居里溫度為667K。
　　 (2)Mn、Co摻雜LiNbO3薄膜為R3C空間結(jié)構(gòu)，Mn和Co均具有+2和+3兩種價態(tài)，薄膜中沒有雜質(zhì)第二相出現(xiàn)。通過對摻雜元素的K邊XANES實驗譜和用第一性原理完全多重散射理論計算得到的XANES譜線相比較發(fā)現(xiàn)，Mn和Co在LiNbO3中都占據(jù)Li位同時引入Li空位以抵消摻雜帶來的電荷不平衡。Mn、Co摻雜的LiNbO3薄膜都具有室溫鐵磁性，9.7at％Co摻雜LiNbO3薄膜的飽和磁化強度最

6、大，其中Mn、Co共摻雜LiNbO3薄膜的鐵磁性均比9.7at％Co單摻雜LiNbO3薄膜的要小，并隨著摻雜濃度的增加而變小，2.5at％Mn9.7at％Co摻雜LiNbO3薄膜的飽和磁化強度最小為13.2emu/cm3。薄膜的鐵磁性是Mn和Co共同作用的結(jié)果，包括Mn3d和Nb4d之間由d-d電子耦合產(chǎn)生的鐵磁性，Li空位和氧空位與Co離子之間形成的磁極子的耦合作用，以及Mn、Co之間的反鐵磁交換作用。鐵電性分析表明，薄膜的飽和極化強

7、度為O.006μC/cm2，矯頑場強為27kV/cm，鐵電居里溫度為658K。
　　 (3)Co、Fe摻雜LiNbO3薄膜為R3C空間結(jié)構(gòu)，Co和Fe均具有+2和+3兩種價態(tài)，薄膜中沒有雜質(zhì)第二相出現(xiàn)。通過對摻雜元素的K邊XANES實驗譜和用第一性原理完全多重散射理論計算得到的XANES譜線相比較發(fā)現(xiàn)，Co在LiNbO3中占據(jù)Li位同時引入氧空位，F(xiàn)e在LiNbO3中有三種占位，其中約有20％的Fe占據(jù)八面體間隙位，60％的Fe

8、占據(jù)Li位同時引入Li空位，20％的Fe占據(jù)Nb位同時引入氧空位以抵消電荷的不平衡。Co、Fe摻雜的LiNbO3薄膜都具有室溫鐵磁性，共摻雜的LiNbO3薄膜飽和磁化強度均比單摻雜LiNbO3薄膜的大，而且Co、Fe共摻雜LiNbO3薄膜的鐵磁性隨著摻雜含量的變大，先增大后減小。濃度為9.7at％Co6.8at％Fe摻雜的LiNbO3薄膜有最大的飽和磁化強度27.2emu/cm3。薄膜的鐵磁性來源于Mn和Co的共同作用，包括Li空位和氧