六角铁酸镥(h-LuFeO3)外延薄膜的制备及其磁性能研究

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h-LuFeO3由于同时存在着铁电性及磁有序现象,因而被视为是一种潜在的室温单相多铁性材料,目前受到广泛关注。该材料铁电-顺电转变的居里温度在1000 K以上,而其铁磁有序只能存在于120 K以下。因此,如何调制h-LuFeO3的磁性能,将其反铁磁-铁磁转变温度提高到室温,同时提高磁极化强度,是实现h-LuFeO3在磁电器件中应用的关键。而外延生长是获得高性能h-LuFeO3薄膜及应用的基础。基于此,本文采用脉冲激光沉积法(PLD)在钇稳定氧化锆(YSZ)单晶衬底上制备 h-LuFeO3外延薄膜,然后对其磁性能进行探讨。主要研究内容及结果包括:  (1)通过固相反应烧结法制备了成分单一、致密度高的LuFeO3陶瓷靶材。利用PLD法制备h-LuFeO3薄膜,初步探讨了衬底温度、氧压、激光能量对薄膜生长的影响,确定了 h-LuFeO3外延薄膜生长参数的调控方向,为下一步详细研究高质量外延薄膜的制备奠定了基础。  (2)详细研究了衬底温度、氧压、激光能量等工艺参数对h-LuFeO3外延薄膜生长的影响,获得了优化的工艺参数,即衬底温度为750℃、氧压为20 mT、激光能量为400 mJ、激光重复频率为10 Hz。在此工艺参数下制备的h-LuFeO3薄膜结晶质量高,YSZ衬底与h-LuFeO3薄膜之间无界面层,界面尖锐突变,薄膜无明显缺陷,原子排列整齐致密。薄膜与衬底之间的外延取向关系分别为:h-LuFeO3(0001)//YSZ(111),h-LuFeO3[100]//YSZ[210]。H-LuFeO3外延薄膜生长机制为层状生长。  (3)利用超导量子干涉仪(SQUID)对h-LuFeO3外延薄膜的磁学性质进行了研究。在室温下,薄膜的饱和磁化强度及矫顽场都较小,说明该材料表现出室温弱磁性。并且随着测试温度的降低,薄膜的饱和磁化强度及矫顽场都增大。这是因为在h-LuFeO3中,稀土Lu原子不存在局域磁矩,其磁性主要来源于Fe离子磁矩,随着温度的降低,Fe离子磁矩发生长大从而表现为宏观磁化强度的单调递增。H-LuFeO3薄膜的磁性来源于晶体内部Fe原子间的交换作用,这种交换作用受到薄膜晶格畸变的影响。因此,不同厚度薄膜存在的晶格畸变直接影响着薄膜磁性的变化。
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