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多铁性材料微结构的电子显微学研究

于奕  
【摘要】:多铁性材料是材料科学领域与凝聚态物理领域的研究热点,它在存储器、传感器、自旋电子器件中都有着广泛的应用前景。众所周知,材料的性能取决于材料的结构,为了理解多铁性材料的新颖性能并探寻其背后的机制,对于多铁性材料微结构的研究至关重要。本文综合运用电子显微学中的各项技术,对几类重要的多铁性材料的微结构进行了研究。 首先,运用球差校正电子显微术,我们实现了从原子尺度上对六方锰氧化物YMnO_3单晶的拓扑涡旋畴结构进行研究。通过分析类涡旋状的畴结构以及关于涡旋性的探讨,我们指出,仅仅鉴别出6瓣铁电畴并不是确认该涡旋状花样为严格的涡旋的充分条件,对畴之间的反相关系还需要进行仔细确认。通过图像的定量精细研究,我们还可以从中获取材料的局域铁电偶极分布。结合原子模拟计算,我们进一步揭示了两类互锁畴壁的原子构型。 其次,我们分别对六方、正交结构锰氧化物外延薄膜的微结构进行研究。对六方HoMnO_3薄膜的微结构研究指出薄膜中的主要缺陷为异相边界,其形成机制为表面台阶机制与形核层机制。薄膜缺陷处会出现化学计量比失衡,高能电子束辐照会对HoMnO_3的电子结构产生影响。对外延稳定正交TmMnO_3薄膜的微结构研究指出,薄膜中的主要缺陷为界面失配位错,外延应变由界面失配位错和表面起伏机制来共同松弛。 再次,我们对La、Ti共掺杂BiFeO_3外延薄膜的微结构进行了研究。La、Ti的掺杂并没有改变BiFeO_3的晶体结构,掺杂使得薄膜漏电流减少的同时铁电性得到增强。我们讨论了薄膜微结构与漏电流之间的关系,漏电流主要受薄膜内部各种类型的缺陷以及化学成分起伏的影响,其主导机制为体限制Poole-Frenkel发射。 最后,我们对Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))_(1-x)Ti_xO_3(PMN-PT)基复合多铁性材料的微结构进行了研究。对YBa_2Cu_3O_(7-δ)/PMN-PT的研究表明,YBa_2Cu_3O_(7-δ)薄膜中的主要缺陷是界面失配位错和面缺陷,少量a轴取向畴存在于薄膜中,一些取向畴根部存在微小第二相颗粒,我们讨论了取向畴倾斜畴壁的形成机制,它是表面弹性能与畴壁能相互竞争作用的结果。对Pr_(0.6)Ca_(0.4)MnO_3/PMN-PT的研究表明,薄膜内部具有多取向畴结构。对反相畴壁的原子尺度表征指出不同的畴壁形貌本质上都是由单根直线型反相畴壁基本单元组成。另外,随着膜厚的增加,薄膜中的取向畴增多,有利于电场对Pr_(0.6)Ca_(0.4)MnO_3相分离的调控。


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