多铁性铁酸铋薄膜的磁控溅射制备及其性能研究

【摘要】：多铁性材料是指包含两种或以上“铁性”的材料,这些基本性能包括铁电性、铁磁性和铁弹性。多铁性材料为新一代的功能器件设计提供了新的材料准备,例如信息存储器、换能器、自旋电子器件等。这类材料在材料科学及凝聚态物理领域有着广阔的研究前景。现在最热门的研究则是铁电性和铁磁性共存的多铁性材料,这种材料不仅同时具有铁电和铁磁性能,而且还存在着两种性能的耦合,即磁电耦合效应。 BiFeO3是为数不多的在室温下同时呈现铁电性和铁磁性的多铁性材料之一,其铁电居里温度和反铁磁尼尔温度分别为Tc=820K、TN=643K。本文采用磁控溅射法成功制备了BiFeO3薄膜及其薄膜电容器,利用X射线衍射[XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、压电力显微镜(PFM)以及铁电测试仪、交变梯度磁强计(AGM)等测量仪器设备,对BiFeO3薄膜的微观结构、成分和性能进行了系统的测试和分析。本文主要的研究内容及主要结果如下： (1)杂相物质对BiFeO3薄膜结构和性能的影响。使用化学配比的BiFeO3靶材,在不同衬底温度下制备的BiFeO3薄膜含有杂相Bi2O3和γ-Fe2O3。用AGM对薄膜进行磁性研究,发现γ-Fe2O3的存在较大幅度的提高了薄膜的磁性能。 (2)镀膜气氛对纯相BiFeO3薄膜的影响。磁控溅射的辉光放电主要依赖于惰性气体的电离,在本工作中惰性气体为Ar气,镀膜的氩氧比将会影响辉光放电的分布,辉光中粒子的种类,溅射粒子的能量,进而影响薄膜的沉积速率,对薄膜的微观结构和性能产生影响。一方面,适当添加氧气有助于铁酸铋薄膜保持其化学配比,改善其电学性能；而另一方面,过多的添加氧气导致薄膜沉积速率降低,薄膜变得不致密,表面和界面粗糙度上升,性能变差。研究发现,氩氧比为4：1的薄膜均匀致密,表面粗糙度较小,具有最优的铁电性能。 (3)薄膜厚度对纯相BiFeO3薄膜的影响。薄膜厚度的变化可能导致薄膜表面的粗糙度以及薄膜择优取向发生变化,从而使其性能呈现明显的厚度依赖性。结果表明,随着厚度的增加,BiFeO3薄膜的铁电性能得到改善。 (4)衬底取向对纯相BiFeO3薄膜的影响。选用SrRuO3为底电极,在不同取向SrTiO3单晶基底上沉积得到BFO/SRO/STO异质结构。结果表明,薄膜的择优取向取决于基底取向,此外BiFeO3薄膜的形貌和性能表现出强烈的各向异性。(111)取向的BiFeO3薄膜晶粒最小,晶界最清晰；(100)取向的BiFeO3薄膜具有最佳的铁电性能。此外,不同取向薄膜介电常数不同,而介电损耗差别不大。