BiFe0.97Mn0.03O3基/磁性层复合薄膜的制备及多铁性能研究

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BiFeO3因其较大的漏导、多铁性难以表达等问题而限制它的实际应用。多元素掺杂BiFeO3薄膜能够有效降低泄漏电流,提高薄膜的铁电性能,但是对薄膜铁磁性能的改善有限;引入强铁磁性材料以解决弱磁性问题,随着铁磁性的提升,铁电性却出现恶化。为了解决铁电性和铁磁性不兼容的问题,在复合薄膜中引入离子掺杂以改善此问题。同时,在复合薄膜中存在电阻开关效应,然而多铁薄膜铁电极化与阻变效应对应关系需要进一步探讨,这种调控关系研究对BiFeO3薄膜为基础的多功能器件的设计自由度具有实际意义。本论文采用化学液相沉积法制备了Bi1-xPrxFeMn0.03O3(BPrxFMO)薄膜、Bi0.85-yPr0.15DyyFeMn0.03O3(BPDyyFMO)薄膜、Bi0.85-zPr0.15REzFe0.97Mn0.03O3/CuFe2O4(RE=Sr,Dy)(BPREzFMO/CuFO,RE=Sr,Dy)复合薄膜以及Bi0.96Sr0.04Fe0.98Co0.02O3/CoFe2O4(BSFCO/CFO)复合薄膜。分别研究了多元离子共掺杂对薄膜晶体结构、微观形貌、电性能和多铁性能的影响,以及磁性层对薄膜多铁性能和电阻开关效应的影响。得到如下结果:(1)对BPrxFMO薄膜的结构形貌、电性能以及多铁性能进行研究。结果表明,Pr离子掺杂促使薄膜的结构从R3c:H三方相向P4四方相转变,并阻碍了薄膜中氧空位和Fe2+离子的形成,同时晶粒细化促进晶界电阻增加,减小漏电流密度。薄膜的铁电性能得到提升,BRr0.15FMO薄膜的剩余极化值达到91.3μC/cm2,极化电流峰值为0.028 A,并且具有良好的铁电稳定性。(2)研究了BPDyyFMO薄膜的物相结构、电性能以及多铁性能。Dy离子掺杂进一步促进薄膜结构发生转变,使晶界电阻的增加,减小漏电流密度。BPDyyFMO(y=0.04-0.07)薄膜的铁电性能恶化,剩余极化从91.3μC/cm2降低到22.2μC/cm2。缺陷复合体在畴壁处的钉扎效应,使薄膜出现铁电老化效应。但BPDy0.04FMO薄膜的铁磁性能有一定程度上的提升,饱和磁化为2.39emu/cm3。(3)对BPREzFMO/CuFO(RE=Sr,Dy)复合薄膜的结构、性能进行研究。在复合薄膜中,BFO相仍为原有的三方R3c:H结构,多铁性得到了极大的提升,其中BPSFMO/CuFO薄膜的剩余极化为84.3μC/cm2,剩余磁化15.8emu/cm3,是BFO(0.67 emu/cm3)的23.6倍。复合薄膜中出现介电弛豫现象的同时出明显的电阻开关效应,离子掺杂削弱了此效应。(4)在BFSCO/CFO复合薄膜中,研究了因晶格失配在薄膜内部产生的失配应变对BSFCO层结构的影响。复合薄膜中出现的介电弛豫属于Maxwell-Wagner介电弛豫,随着上层BSFCO膜厚度的增加,BSFCO的电阻增加,电容减小,进而使介电弛豫时间变短。同时,薄膜的铁电性能随着厚度的增加逐渐增强,强铁电极化翻转可以降低界面处p-n结内的势垒高度,有利于形成明显的电阻开关效应。
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