自極化BiFeO3基薄膜的界面調(diào)控.pdf

1、BiFeO3(BFO)，作為唯一一種在室溫下同時(shí)具有鐵電性能和鐵磁性能的材料，吸引了研究者們較大的研究興趣，被認(rèn)為是最有希望替代Pb(Zrx，Ti1-x)O3的綠色環(huán)保型鐵電材料。由于BFO具有非常高的居里溫度，使得其在壓電微機(jī)電系統(tǒng)以及紅外熱釋電成像器件等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　但是，具有高居里點(diǎn)的鐵電薄膜應(yīng)用于熱釋電器件時(shí)，往往需要對(duì)其進(jìn)行人工預(yù)極化處理。與鉛基鐵電薄膜相比，由于BFO薄膜具有較高的矯頑場(chǎng)和漏電流，導(dǎo)致其

2、難于極化，那么這勢(shì)必要消耗更多的能量。如果BFO基薄膜制備后就具有自極化，便可以省去人工極化這一步驟，從而減少生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。以往研究發(fā)現(xiàn)，鐵電薄膜的自極化是因?yàn)楸∧?nèi)存在內(nèi)電場(chǎng)，而內(nèi)電場(chǎng)來(lái)源于多種因素，如薄膜內(nèi)的應(yīng)變梯度、缺陷、薄膜與電極界面的接觸電勢(shì)等。根據(jù)Ren等人的研究發(fā)現(xiàn)，鐵電薄膜內(nèi)的缺陷偶極子在薄膜老化過(guò)程中會(huì)沿著自發(fā)極化的方向定向排列。研究表明，在BFO基薄膜中缺陷偶極子是自極化產(chǎn)生的主要來(lái)源。
　　對(duì)于BF

3、O薄膜而言，高的居里溫度以及較低的沉積溫度使其在制備過(guò)程中就開(kāi)始老化。如果制備的BFO基薄膜具有高度自極化，則老化將具有穩(wěn)定薄膜初始極化狀態(tài)的作用;而如果薄膜具有部分自極化，老化對(duì)薄膜自極化的穩(wěn)定作用則會(huì)使薄膜很難被徹底人工極化，即使薄膜的疇能在高電場(chǎng)下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，薄膜中缺陷對(duì)也會(huì)使其很容易反轉(zhuǎn)，從而使薄膜的宏觀壓電和熱釋電性能穩(wěn)定性變差。鐵電疇反轉(zhuǎn)主要經(jīng)歷反向疇成核、縱向長(zhǎng)大以及橫向長(zhǎng)大的過(guò)程。反向疇的成核是從薄膜的上下表面開(kāi)始的，一旦

4、成核，縱向和橫向長(zhǎng)大過(guò)程便很難控制，會(huì)在非常短的時(shí)間內(nèi)完成。所以，抑制鐵電疇的backswitching的關(guān)鍵在于抑制其成核。
　　本論文采用金屬有機(jī)物分解法結(jié)合層層退火工藝制備了具有自極化的BFO基薄膜，系統(tǒng)研究了自極化Bi1.1Fe0.95Mn0.05O3(BFMO)薄膜的鐵電性能，并通過(guò)界面調(diào)控抑制了薄膜的反向疇成核，大幅提升了薄膜的鐵電及壓電性能。工作主要從以下幾個(gè)方面展開(kāi):
　　(1)在Pt(111)/TiO2/S

5、iO2/Si襯底上制備了具有(012)-擇優(yōu)取向的BFMO薄膜，制備的薄膜具有穩(wěn)定的自極化。系統(tǒng)地研究了自極化BFMO薄膜的鐵電性能，并且對(duì)低電壓下電滯回線(xiàn)的缺口給出了新的解釋。此外，通過(guò)研究BFMO薄膜的老化揭示了缺陷對(duì)對(duì)自極化的穩(wěn)定作用。
　　(2)制備了不同W6+摻雜濃度的BFO(BFWxO)薄膜層，通過(guò)研究不同濃度BFWxO薄膜層對(duì)主體BFMO薄膜結(jié)構(gòu)、鐵電性能的影響，最終選取了W6+的最佳摻雜濃度(1％)。
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