多鐵性鐵酸鉍薄膜的磁控濺射制備及其性能研究.pdf

1、多鐵性材料是指包含兩種或以上“鐵性”的材料，這些基本性能包括鐵電性、鐵磁性和鐵彈性。多鐵性材料為新一代的功能器件設計提供了新的材料準備，例如信息存儲器、換能器、自旋電子器件等。這類材料在材料科學及凝聚態(tài)物理領域有著廣闊的研究前景?，F(xiàn)在最熱門的研究則是鐵電性和鐵磁性共存的多鐵性材料，這種材料不僅同時具有鐵電和鐵磁性能，而且還存在著兩種性能的耦合，即磁電耦合效應。
　　BiFeO3是為數(shù)不多的在室溫下同時呈現(xiàn)鐵電性和鐵磁性的多鐵性材料

2、之一，其鐵電居里溫度和反鐵磁尼爾溫度分別為Tc=820K、TN=643K。本文采用磁控濺射法成功制備了BiFeO3薄膜及其薄膜電容器，利用X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜儀(XPS)、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、壓電力顯微鏡(PFM)以及鐵電測試儀、交變梯度磁強計(AGM)等測量儀器設備，對BiFeO3薄膜的微觀結構、成分和性能進行了系統(tǒng)的測試和分析。本文主要的研究內容及主要結果如下

3、:
　　(1)雜相物質對BiFeO3薄膜結構和性能的影響。使用化學配比的BiFeO3靶材，在不同襯底溫度下制備的BiFeO3薄膜含有雜相Bi2O3和γ-Fe2O3。用AGM對薄膜進行磁性研究，發(fā)現(xiàn)γ-Fe2O3的存在較大幅度的提高了薄膜的磁性能。
　　(2)鍍膜氣氛對純相BiFeO3薄膜的影響。磁控濺射的輝光放電主要依賴于惰性氣體的電離，在本工作中惰性氣體為Ar氣，鍍膜的氬氧比將會影響輝光放電的分布，輝光中粒子的種類，濺射粒

4、子的能量，進而影響薄膜的沉積速率，對薄膜的微觀結構和性能產生影響。一方面，適當添加氧氣有助于鐵酸鉍薄膜保持其化學配比，改善其電學性能;而另一方面，過多的添加氧氣導致薄膜沉積速率降低，薄膜變得不致密，表面和界面粗糙度上升，性能變差。研究發(fā)現(xiàn)，氬氧比為4∶1的薄膜均勻致密，表面粗糙度較小，具有最優(yōu)的鐵電性能。
　　(3)薄膜厚度對純相BiFeO3薄膜的影響。薄膜厚度的變化可能導致薄膜表面的粗糙度以及薄膜擇優(yōu)取向發(fā)生變化，從而使其性能呈

5、現(xiàn)明顯的厚度依賴性。結果表明，隨著厚度的增加，BiFeO3薄膜的鐵電性能得到改善。
　　(4)襯底取向對純相BiFeO3薄膜的影響。選用SrRuO3為底電極，在不同取向SrTiO3單晶基底上沉積得到BFO/SRO/STO異質結構。結果表明，薄膜的擇優(yōu)取向取決于基底取向，此外BiFeO3薄膜的形貌和性能表現(xiàn)出強烈的各向異性。(111)取向的BiFeO3薄膜晶粒最小，晶界最清晰;(100)取向的BiFeO3薄膜具有最佳的鐵電性能。此外