铁酸铋钛酸锶钡双层膜多铁耦合效应与改性研究-材料加工工程专业论文.docx

ClassifiedIndex:TB34 U.D.C:621DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringMULTIFERROICCOUPLINGEFFECTSAND MODIFICATIONSTUDYOFBISMUTH FERRITE/BARIUMSTRONTIUMTITANATEBILAYERFILMSCandidate：BinLiSupervisor：Prof. ChunqingWangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsProcessingEngineeringAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：April,2014Degree-Conferring-Institution：HarbinInstitute ofTechnology摘要单相多铁性BiFeO3(BFO)在室温条件下同时具备铁电与铁磁等多种铁性，在磁电存储器、传感器、驱动器等领域具有广阔的应用前景，然而BFO的漏电流较大、室温下磁性较弱,且BFO薄膜易与Pt底电极发生反应，此外BFO结晶过程需要高温热处理，使其还面临着与半导体互连工艺不兼容的难题，近年来关于BFO制备与改性方面的研究工作虽然已取得了较大进展，但仍未能同时解决BFO所存在的上述问题。本文的研究目的是解决BFO基薄膜与Pt底电极发生反应的问题，同时开发出一种漏电流小、磁性较强的BFO基多铁性薄膜，并将其分别与第三代半导体ZnO及耐高温的SiC进行集成。此外，在考察多铁性材料本征特性时，需要剔除薄膜在衬底上成膜时应力的影响等，为此，还通过多铁性一维纳米材料对薄膜的性能进行了进一步验证。首先采用Ba0.7Sr0.3TiO3(BSTO)作为缓冲层制备了BFO/BSTO双层薄膜，结果表明BSTO缓冲层能够有效地防止BFO薄膜与Pt底电极发生反应，所获得的BFO/BSTO薄膜无杂相产生，然而发现此双层薄膜中BFO层的Fe2+含量远高于Fe3+。为了改善BFO/BSTO薄膜的漏电特性，进一步通过La与Mn元素对BFO层进行了掺杂，结果表明La与Mn共掺杂能够明显降低薄膜中Fe2+浓度，从而极大地限制了漏电流。还通过BFO基纳米纤维验证了La与Mn掺杂对BFO 中Fe2+的抑制作用以及对BFO漏电特性的改善作用。由于采用BSTO缓冲层增加了多铁性薄膜的总厚度，从器件小型化方面考虑，进一步对BSTO缓冲层进行了优化，使其同时具备铁电与铁磁性能，从而进一步增强Bi0.9La0.1Fe0.95Mn0.05O3(BLFMO)薄膜的综合性能。首先通过磁性元素Co掺杂的BSTO(Ba0.7Sr0.3Ti0.95Co0.05O3,BSTCO)对缓冲层的成分进行调整，研究结果表明BLFMO/BSTCO双层薄膜的磁学与磁介电性能均高于BLFMO/BSTO薄膜，具有更优良的综合性能。此外，分别实现了BLFMO/BSTCO 薄膜与第三代半导体ZnO及SiC的集成，集成后的多铁性薄膜均保持着优良的铁电性能。为制备出具有更高磁学与磁介电性能的BLFMO基双层薄膜，进一步通过磁性材料Ni0.8Zn0.2Fe2O4(NZFO)对BSTO缓冲层进行了复合，结果表明BSTO– NZFO缓冲层不仅有效地提高了BLFMO薄膜的磁性，同时还显著增强了其磁I-介电耦合效应，但BLFMO/BSTO–NZFO双层薄膜的电学性能较弱。此外，还发现BLFMO/BSTO–NZFO薄膜的表面粗糙度较大，分析表明这一特殊的表面形貌特征是由复合的BSTO–NZFO缓冲层引起的，同时对复合薄膜出现粗糙表面的机理进行了深入的探讨，并通过复合纳米管对上述粗糙的表面形貌与生长机理进行了验证。关键词：铁酸铋；缓冲层；多铁性材料；铁电性能；磁学性能II -AbstractAsasingle-phasemultiferroicoxide,BiFeO3(BFO)issuitableforapplications suchasmagnetoelectricmemories,sensorsandactuatorsduetoitscoexistenceof ferroelectricandmagneticpropertiesatroomtemperature.However,BFOsuffers fromhighleakagecurrentdensityandsmallmagnetization.AndtheBFOinfilm formisapttoreactwithPtbottomelectrode.Inaddition,itsrequiredhigh proc