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BiFeO_3外延薄膜电容器与异质结的制备和性能研究

焦兴利  
【摘要】: 钙钛矿结构的多铁性材料BiFeO3(BFO)是目前唯一一种在室温下同时具有强的铁电性和磁性的单相材料,其奈尔温度TN约为673K,居里温度Tc约为1103K。巨大的应用前景使其自发现开始就受到人们的广泛关注。 BFO的剩余极化(Pr)高达90-100μC/cm2,成为无铅铁电材料的重要候选材料之一。但是因为制备纯相的BFO块材和薄膜的条件都较为苛刻,而且材料中都存在较大的漏导电流,所以很难获得饱和的铁电电滞回线。通过化学掺杂可以有效改善其漏电性能。BFO直接光学带隙约为2.8eV,在波长500nm以上具有高的光透过率,与透明导电材料一起可以制备全透明铁电器件。 本论文中采用脉冲激光沉积的方法制备薄膜,摸索并掌握了纯相BFO薄膜成熟的制备工艺,使用一种新型的n型透明导电材料La0.07Sr0.93SnO3 (LSSO)作为电极材料,成功的制备了全外延生长的透明铁电电容器,发现Mn掺杂可以有效改善BFO薄膜的铁电性能;还成功的制备了结构为LSSO\BFO的全透明异质结,发现异质结呈现出整流特性和电阻回滞行为,调节BFO薄膜的厚度及Mn的掺杂结果表明整流特性和阻滞行为都是和BFO薄膜中的氧空位相关;另外还系统研究了一种常见的电极材料也是庞磁阻锰氧化物La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO)生长在三种不同的衬底上的晶格弛豫行为,并分析了其机理。 全文分为六章,各章的主要内容概括如下: 第一章首先简单介绍了钙钛矿结构功能材料的晶体结构、晶格畸变和d轨道分裂等基础知识,随后从研究背景、发展状况和基本应用概念方面分别介绍了铁电材料、多铁性材料、透明导电材料、钙钛矿锰氧化物及基于铁电材料的薄膜电子器件。其中主要讲述了论文后面章节中需要用到的公式和概念。 第二章主要介绍了本论文中用到的样品制备和表征测试方法。特别对PLD方法和高分辨X射线衍射做了详细介绍。 第三章利用X射线的倒易空间图,研究了菱形结构的LSMO薄膜生长在三种不同的衬底上因为晶格失配对于薄膜结构的影响。发现了三种不同的应力释放方式,特别是在NGO(110)衬底上,LSMO在面内两个相互垂直的方向上采用不同的机制来是释放应力。 第四章用新型的透明导电氧化物LSSO薄膜作为电极制备了外延BiFe0.95Mn0.05O3全透明铁电电容器,获得高质量的饱和电滞回线,并通过透光率的测量得到了BFMO的光学带隙宽度。同时研究了衬底方向对薄膜极化强度的影响及疲劳特性。 第五章系统分析了LSSO\BFO(BFMO)异质结的Ⅰ-Ⅴ特性,发现在LSSO\BFO异质结中存在整流效应和阻滞行为,通过Mn掺杂前后和不同厚度BFO对于异质结整流特性和阻滞行为的影响,认为其原因是BFO中存在的大量氧空位。 第六章利用LSMO作为电极,在LAST(001)、(110)和(111)衬底上分别制备了Bi3.15Nd0.85Ti3O12外延薄膜电容器,在(110)和(111)衬底上获得了良好的电滞回线,其具有很好的抗疲劳特性。从结构上分析了其外延关系。


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