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Fe掺杂及磁性离子基团植入对铋层状薄膜电磁性能的影响

孙家宝  
【摘要】: 铁电材料和多铁材料由于具有丰富的物理背景以及巨大的应用前景,成为最近几年国际上凝聚态物理研究的热点问题。但是,对应用于铁电存储器和铁电磁体存储器的材料,都或多或少的存在着缺点,综合性能还不能完全满足要求。因此优化选择铁电材料以及铁电磁体材料仍然是目前关于铁电存储器和铁电磁体存储器研究的一个热点。所以寻找综合性能优良的材料并对其进行改性研究对加速铁电材料和铁电磁体材料的实际应用有着重要意义。 针对SrBi_4Ti_4O_(15) (SBTi)铁电薄膜的铁电性能始终不能满足实际应用需要的问题,本文对其进行了A位掺杂改性研究,并对其改性原因进行了阐述;对于最有希望得到应用的多铁材料BiFeO_3 (BFO)大的漏电流和弱的铁磁性等问题,本文尝试通过将其植入层状钙钛矿材料BIT中形成四层钙钛矿材料Bi_5FeTi_3O_(15) (BFTO),利用BIT中铋氧层所具有的空间电荷库和绝缘层的作用来降低多铁材料的电导,改善其漏流行为,并通过对BFTO掺杂磁性Co~(3+)离子来挖掘出层状薄膜材料的磁性能。主要成果如下: 1.首次利用溶胶-凝胶方法成功制备了Fe掺杂SBTi薄膜。利用X-ray衍射研究了薄膜样品的微观结构,发现Fe掺杂并没有改变SBTi薄膜的微观结构。随着外加电场的增加,矫顽场(Ec)和剩余极化值(Pr)呈先增加后减少趋势。当Fe掺杂含量为5 %、最大外加电场为229 kV/cm时,薄膜样品的剩余极化(2P_r )值高达91.1μC/cm~2,对应的矫顽场为72 kV/cm。剩余极化2Pr值提高了近260 %且矫顽场Ec减小了约6 %。显然,适量的Fe掺杂极大地提高了SrBi_4Ti_4O_(15)薄膜样品的铁电性能。但是当Fe掺杂含量为5 %时,薄膜样品的抗疲劳性能并没有得到改进。本文中,我们对其铁电性能改进的原因及其疲劳机制进行了详尽的阐述。 2.首次利用金属有机物分解法将磁性离子团植入铋层状材料BIT中,成功制备出了四层层状钙钛矿结构的Bi_5FeTi_3O_(15) (BFTO)薄膜,并利用X-ray衍射,原子力显微镜和场发射扫描电子显微镜分别研究了薄膜样品的微观结构,表面形貌及其断面。在最大外加电场为570 kV/cm时,薄膜的剩余极化2P_r和矫顽场E_c达到了最大值,分别为35.5μC/cm~2和171 kV/cm,但是样品的抗疲劳性能没有得到改进,薄膜的漏电流在低电场下(28 kV/cm)随外电场线性上升,欧姆传导机制在起主要作用,在外电场从~50 kV/cm逐步增加到~200 kV/cm时,漏电流和外场的函数拟合lnJ-E1/2呈现很好的线性关系,表明传导机制主要是Schottky发射电流机制。 3.首次利用金属有机物分解法成功制备了Co掺杂Bi_5FeTi_3O_(15) (BFTO)薄膜。并利用X-ray衍射,原子力显微镜和环境扫描电子显微镜分别研究了薄膜样品的微观结构,表面形貌及其断面。铁电性能和疲劳特性能研究表明,在最大外加电场为547 kV/cm时,薄膜的剩余极化2P_r值和矫顽场Ec值分别为62μC/cm~2和142 kV/cm。在频率为50 kHz的疲劳测试条件下,经过1.1×10~9读写周期,薄膜的反转极化和非挥发极化几乎没有变化,体现了良好的抗疲劳性能。


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