脉冲激光沉积法(PLD)制备铁酸铋系薄膜

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铁酸铋是少数几种室温下同时具有铁电、铁磁的新型的多铁性材料(Multiferroics),它是三方扭曲的钙钛矿结构,其铁电居里温度和磁性相变尼尔温度分别高达850℃和370℃,并且能够发生电磁耦合而产生磁电效应,在信息存储、卫星通讯、磁电传感器等领域有着广泛的应用前景。近年来,铁酸铋薄膜相对于体材料表现出明显提高的绝缘性能和优越的铁电、铁磁性能,引起了国际上的广泛关注。本论文用脉冲激光镀膜(PLD)技术制备了铁酸铋、铁酸铋镧和钌酸锶薄膜等,探讨了薄膜的生长工艺和结构、性能表征、研究了镧元素掺杂和钌酸锶电极对铁酸铋薄膜的介电、铁电和铁磁性能的影响。 铁酸铋薄膜的结晶性能随衬底温度的升高而增强,但温度的过高会加剧BiFeO<,3>薄膜和底电极之间的扩散,导致薄膜的介电和铁电性能下降。当衬底温度为450℃时,薄膜具有较小的漏电流密度,表现出较好的介电和铁电性能。在一定的沉积温度下,随着沉积氧压的增大,铁酸铋薄膜的介电性能提高,漏电流密度下降,但氧压过高又会导致薄膜铁电性能的下降。当沉积氧压为5 mTorr时,BiFeO<,3>薄膜具有较为饱和的电滞回线和较高的剩余极化。La元素含量为20%的铁酸铋镧薄膜具有(010)择优取向,室温下的自发磁化强度和饱和磁化强度分别为51.2 emu.cm<-3>和168 emu/cm<3>,分别是铁酸铋薄膜的7和2.5倍。La离子的引入提高了铁酸铋薄膜的结晶性能,抑制了Fe<3+>→Fe<2+>离子的转变,减少了氧空位,薄膜的绝缘性能、铁电和铁磁性能也明显提高。在Pt-Si上制备的SrRuO<,3>薄膜的电阻率随着衬底温度的升高和生长时间的延长而下降。衬底温度为720℃时制备的230 nm厚的钌酸锶薄膜具有单相钙钛矿结构,电阻率为1.227×10<-4>Ω·cm。铁酸铋薄膜生长在SrRuO<,3>/Pt多层电极上具有(110)择优取向,薄膜的介电和铁电性能也有所提高。具有钙钛矿结构的SrRuO<,3>氧化物电极的引入,改善了BiFeO<,3>薄膜和底电极的界面状况,减少了界面处的氧空位等缺陷,阻挡了铁酸铋薄膜与衬底之间的扩散,有利于提高薄膜的结晶性能和介电、铁电性能等。
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