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掺杂LiNbO_3薄膜的制备及磁性研究

肖庆  
【摘要】:多铁材料在信息储存、自旋电子器件,磁传感器以及电容、电感一体化器件等方面都显示出了潜在的应用前景,而用磁性元素对LiNbO_3薄膜的掺杂有望获得铁电铁磁性共存,将形成一种新型多铁材料体系。 采用射频磁控溅射的方法,分别在Si(100)和Si(111)衬底上制备了LiNbO_3/SiO_2/Si多层结构薄膜,并采用X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外吸收光谱仪(FT-IR)和扫描电子显微镜(SEM)对LiNbO_3薄膜的结晶取向、组成成分、表面形貌进行了表征,系统的研究了SiO_2过渡层对LiNbO_3薄膜c轴取向的影响。在此基础上,还采用共溅射的方法在Si(111)衬底制备出了具有室温铁磁性的磁性元素(Fe、Co、Ni)掺杂的LiNbO_3薄膜,并用x射线光电子能谱(XPS)和振动样品磁强计(VSM)对其进行了表征,分析了掺杂元素在样品中的存在价态,初步探讨了样品的磁性来源,获得了以下结论: 1.当SiO_2过度层未退火时为非晶态,且SiO_2过度层的缺氧度随着过渡层厚度的增加而增大;当SiO_2过度层经过退火处理时,且随着退火温度的升高,SiO_2过度层的结晶度逐渐增强,缺氧度逐渐降低。 2.随着SiO_2过度层退火温度的升高(RT~1200℃)和厚度的增加(10nm~50nm),在Si(100)衬底上,LiNbO_3薄膜的c轴取向是逐渐增强的;而在Si(111)衬底上,LiNbO_3薄膜的c轴取向是逐渐减弱的。当SiO_2过度层的厚度为10nm、不经过退火时,在Si(111)衬底上,LiNbO_3薄膜获得了最强的c轴取向,其(006)峰的织构系数高达90%。 3. Fe、Co掺杂的LiNbO_3薄膜样品在300K时均表现出明显的铁磁性。经过测试发现Fe、Co在样品中主要以Fe~(3+)、Co~(2+)的形式存在,且样品中并没有生成第二相,即掺杂LiNbO_3薄膜样品的室温铁磁性不是来自于杂质相,而是来源于其本征特性。其中,Fe~(3+)在Fe: LiNbO_3薄膜中存在八面体位和五面体位两种占位分布,通过对掺杂LiNbO_3薄膜样品的磁交换机制的初步分析,认为其铁磁性主要来源于这两种不同占位Fe~(3+)间以氧离子为媒介产生的间接超交换作用,且薄膜的磁化强度随着Fe掺杂含量的增加而减小。Co在Co: LiNbO_3薄膜中仅存在八面体位一种占位形式,通过对薄膜磁性能的分析也表明,其铁磁性主要来源于Co~(2+)间的间接超交换作用,且薄膜的磁化强度随着Co掺杂含量的增加而增大。 4. Ni掺杂的LiNbO_3薄膜样品在300K时同样也表现出明显的铁磁性,但无法确定Ni在薄膜中是否形成了Ni团簇,因此也无法确定薄膜的铁磁性是来自于Ni团簇还是薄膜本身。


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