Bi6Fe2-xCoxTi3O18外延單晶薄膜的生長和分析表征.pdf

1、單相多鐵材料由于在多態(tài)存儲、自旋電子設(shè)備、傳感器等方面具有潛在的應(yīng)用前景，因而受到大家廣泛的關(guān)注。但是，由于鐵電性和鐵磁性在電子結(jié)構(gòu)上的互斥性，單相多鐵材料在自然界中非常少見。Aurivillius結(jié)構(gòu)的含鉍層狀氧化物(Bi4Bin-3Fen-3Ti3O3n+3)是一種可能的室溫單相多鐵材料。人們通過對材料的摻雜改性，使得材料磁性和鐵電性都有所改善。尤其是Co元素的摻雜，使得這種材料在室溫下同時(shí)存在鐵電性和鐵磁性。但是，之前的研究主要集

2、中在陶瓷材料和多晶薄膜的研究，具有多鐵性能的外延單晶薄膜是從來沒有報(bào)道過的。由于多晶材料中可能存在雜相的影響，所以證明Aurivillius型氧化物的本征物理性能面臨很大的挑戰(zhàn)。由于單晶材料相比多晶材料在性能上可能有所提升并且可能產(chǎn)生新奇的物理現(xiàn)象，因此制備高質(zhì)量的外延單晶薄膜很有必要。
　　本論文的內(nèi)容分為六個(gè)部分（六章）:第一部分是對研究背景做了詳細(xì)的介紹;第二部分是關(guān)于樣品的制備及表征手段的介紹;第三部分是Bi6FeCoTi

3、3O18外延單晶薄膜的生長和性能的表征;第四部分是金屬緩沖層對Bi6Fe2-xCoxTi3O18單晶薄膜的生長溫度的影響;第五部分是關(guān)于Bi6FeCoTi3O18多鐵薄膜界面科學(xué)方面的研究;第六部分是結(jié)論與展望。
　　第一章中介紹了本論文研究領(lǐng)域的背景知識以及相關(guān)工作的研究現(xiàn)狀。首先，介紹了多鐵材料的概念、研究歷史和發(fā)展?fàn)顩r，并且對磁電耦合效應(yīng)、鐵電與鐵磁的互斥以及磁電耦合機(jī)制做了詳細(xì)的敘述。其次，介紹了Aurivillius型鉍

4、層狀氧化物材料的研究現(xiàn)狀以及摻雜改性的研究情況，并且對Aurivillius型鉍層狀氧化物薄膜的最新進(jìn)展進(jìn)行了介紹。再次，介紹了金屬氧化物界面處的靜電邊界條件和電荷屏蔽作用。接著，解釋了Aurivillius型氧化物外延單晶薄膜制備上面臨的巨大挑戰(zhàn)。最后，介紹了本論文的研究內(nèi)容。
　　第二章是關(guān)于外延薄膜的制備及表征手段的介紹。首先簡單介紹了Bi6FeCoTi3O18(BFCTO)靶材的制備工藝。其次介紹了激光分子束外延(簡稱L-

5、MBE)制備外延薄膜的基本原理，包括反射式高能電子衍射(RHEED)設(shè)備的使用方法和原理。L-MBE在制備復(fù)雜氧化物單晶薄膜方面具有很大的優(yōu)勢。接著，介紹了表征薄膜結(jié)構(gòu)的手段，包括原子力顯微鏡(AFM)、X射線衍射(XRD)、掃描透射電子顯微鏡(STEM)。最后，介紹了物理性能的表征手段，其中包括綜合物性測量系統(tǒng)(PPMS)、超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)。
　　第三章介紹我們利用L-MBE設(shè)備在(LaAlO3)0.3(Sr2Al

6、TaO6)0.7(LSAT)襯底上成功制備了高質(zhì)量的BFCTO外延單晶薄膜。接著，我們通過改變生長溫度和生長氧壓對薄膜的生長條件做了系統(tǒng)的研究。研究發(fā)現(xiàn)薄膜的生長條件窗口非常的小。當(dāng)溫度過高或者氧壓過低時(shí)，薄膜會出現(xiàn)層數(shù)的降低并且有雜相產(chǎn)生。然而，當(dāng)溫度過低或者氧壓過高時(shí)，BFCTO薄膜的結(jié)晶性下降，表面粗糙。我們對高溫下生長的薄膜的雜相進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)雜相有很強(qiáng)的磁性。此外，我們對薄膜的鐵電性能和鐵磁性能做了表征，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示薄膜在室

7、溫下同時(shí)具備鐵電性和鐵磁性。
　　第四章中我們分別在LSAT襯底和帶有LaNiO3(LNO)底電極的LSAT襯底上生長了BFCTO薄膜。我們發(fā)現(xiàn)兩種界面上最優(yōu)生長溫度有很大的差異。隨后，我們在最優(yōu)條件附近生長了一系列薄膜，驗(yàn)證了溫度差異的真實(shí)性。接著，我們設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)證實(shí)了生長溫度差異與界面的導(dǎo)電性有關(guān)。最后我們對產(chǎn)生溫度差異的原因進(jìn)行了初步的討論。
　　第五章我們研究了界面對于薄膜質(zhì)量的影響。我們分別在LNO/LSAT界面和

8、LSAT界面生長了BFCTO薄膜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在LNO上生長的BFCTO薄膜的質(zhì)量比較高。隨后，我們利用掃描透射電鏡對兩種薄膜進(jìn)行了表征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種薄膜的界面存在很大差異，在LNO/LSAT上生長的薄膜的界面比較清晰和均一，而LSAT上生長的薄膜界面比較混亂，并且我們發(fā)現(xiàn)界面的差別主要是由LNO的電荷屏蔽效應(yīng)引起的。最后，我們對在LNO上生長的BFCTO薄膜的鐵磁性和鐵電性進(jìn)行了表征。
　　第六章是我們對全文工作的總結(jié)以及對研究工作