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Bi_xFeO_3(0.80≤x≤1.20)薄膜的合成和性质研究

作　者: 李晓晞
导　师: 杨平雄
学　校: 华东师范大学
专　业: 微电子与固体电子学
关键词: BixFeO3薄膜溶胶凝胶技术铋含量改变微结构光学性质铁电性质
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来,多铁性材料由于同时具有自发的铁电性,铁磁性以及铁弹性等特性,已经成为凝聚态物理领域的研究热点之一同时具有好几种有序共存的这一特点可以产生许多新的物理现象,为开发新型功能器件提供多种可能。在这类材料中,铁酸铋(BFO)材料由于在室温下同时具有自发的铁电性和反铁磁性,更是吸引了广泛的注意力。作为一种无铅材料,BFO拥有较大的剩余极化值(理论上可达100μC/cm2),以及远高于室温的铁电居里温度(Tc-850。C)和反铁磁尼尔温度(TN～370。C)。正因为它的这种特性,使得铁酸铋薄膜具有广阔的应用前景,成为高密度铁电随机存储器,传感器以及自旋电子器件等新型功能器件的有力候选材料。在目前的实验研究中有多种技术可以用于制备铁酸铋薄膜样品,例如溶胶-凝胶(sol-gel)技术,激光脉冲沉积(PLD)技术,磁控溅射技术以及分子束外延(MBE)技术等等,这些方法各有所长。但有一点共同之处需要注意就是要制备出高质量的纯相BFO薄膜,必须在制备过程中解决Bi元素的易挥发性导致Bi-Fe-O系统化学计量比不稳定的问题。如果BFO薄膜结晶过程中各元素比例不能准确控制,就会产生诸如Bi2Fe4O9, Bi2O2.75,Bi46Fe2O72等杂相,从而导致样品的缺陷密度过高,漏电流过大等缺点。所以尽管自60年代发现BFO材料以来已经对其进行了广泛的研究,但却一直没有在其应用方面取得显著的进展。在制备BFO薄膜的工艺流程中,为了消除Bi元素的易挥发性所带来的影响,普遍采取的措施是使用过量的Bi元素来制备BFO样品。即便如此也不能保证样品中的Bi-Fe-O元素体统的化学计量比达到预期值。因此,本论文专门研究了BFO薄膜中Bi元素含量改变对样品的结构和性质造成的影响。如果能够弄清这一问题,对制备高质量的BFO样品具有重要的意义。本文利用sol-gel技术,改变前驱体溶胶中Bi元素和Fe元素的配比,制备出铋含量变化的BixFeO3薄膜样品,并测试了这些样品的结构,光学和电学性质,以期对Bi含量变化的影响有一个全面的认识。主要成果如下：(1)成功配置了BixFeO3材料的前驱体溶液,并在Si(100)衬底和LNO/Si(100)衬底上制备出了x从0.80增大到1.20的BixFeO3薄膜样品。另外,为了研究Bi含量变化对掺杂BFO薄膜性质的影响,还制备了A位La元素掺杂的BixLa0.05FeO3样品。(2)为了验证x变化符合预期值,对样品进行了XPS测试,测试结果反映样品中各元素的价态和含量等情况。利用X射线衍射测试结果对BixFeO3的结构进行分析,发现仅在x=1.00时样品的XRD图中没有出现Bi2Fe4O9等杂相的特征峰,同时样品的菱形扭曲结构也会随着x的变化而发生改变。原子力显微镜测试结果表明样品的表面形貌也直接受到Bi元素含量的影响。(3)我们测试得到了BixFeO3薄膜的拉曼散射光谱和椭圆偏振光谱,分析了BixFeO3薄膜的光学性质。在拉曼散射光谱中,通过观察拉曼振动模式的变化情况,发现不同x取值的BixFeO3薄膜中,Bi-O共价键和Fe-O共价的情况也大为不同。对椭偏结果进行拟合可以得到BixFeO3薄膜的折射率(n)和消光系数(k)。n的峰值在x从0.80增大到1.20的过程中先出现了红移,继而出现蓝移,这种现象表明杂相含量较多的薄膜中出现了更大的应力。此外,通过Tauc画法得到了薄膜样品的禁带宽度近似值,观察到禁带宽度随着x的增大先增大后减小,这可能是由于杂相的出现而造成的。(4)对BixFeO3样品进行了电学性质的测试和分析,采用沉积在Si(100)上的LNO薄膜作为底电极,溅射在BixFeO3薄膜上的一层Pt作为顶电极,制备出Pt/BixFeO3/LNO/Si铁电电容结构。利用同样的结构也测试了BixLa0.05FeO3薄膜的电学性质。测试结果表明未掺杂的BixFeO3薄膜剩余极化随着x增大显著增大,而BixLa0.05FeO3薄膜则在x=0.95时得到最大的剩余极化值。

全文目录

论文摘要  6-8
Abstract  8-13
第一章绪论  13-23
  1.1 多铁性材料与新型存储器  13-16
  1.2 BFO材料的研究进展  16-17
  1.3 本文研究的主要内容  17-19
  本章参考文献  19-23
第二章 Bi_xFeO_3薄膜的制备  23-33
  2.1 引言  23
  2.2 溶胶凝胶法制备Bi_xFeO_3薄膜样品  23-25
    2.2.1 实验原料选择  23-24
    2.2.2 实验流程  24-25
  2.3 改进的溶胶-凝胶工艺制备Bi_xFeO_3薄膜样品  25-28
    2.3.1 实验准备  25-26
    2.3.2 配制胶体  26-27
    2.3.3 甩膜退火  27-28
  2.4 实验设计  28-30
  2.5 本章小结  30
  本章参考文献  30-33
第三章 Bi_xFeO_3薄膜的微结构及表面形貌研究  33-53
  3.1 引言  33-36
    3.1.1 X射线光电子能谱  33-34
    3.1.2 X射线衍射技术  34-35
    3.1.3 原子力显微镜成像  35-36
  3.2 Bi_xFeO_3薄膜的XPS测试结果  36-39
  3.3 Bi_xFeO_3薄膜的XRD图像  39-45
  3.4 Bi_xFeO_3薄膜和Bi_xLa_(0.05)FeO_3薄膜的AFM图像  45-49
  3.5 本章小结  49-50
  本章参考文献  50-53
第四章 Bi_xFeO_3薄膜的光学性质研究  53-73
  4.1 引言  53
  4.2 Bi_xFeO_3薄膜的拉曼光谱分析  53-60
    4.2.1 拉曼光谱  53-56
    4.2.2 Bi_xFeO_3薄膜的拉曼光谱分析  56-59
    4.2.3 Bi_xLa_(0.05)FeO_3薄膜的拉曼光谱分析  59-60
  4.3 Bi_xFeO_3薄膜的椭偏结果分析  60-71
    4.3.1 椭圆偏振光谱基本理论  60-63
    4.3.2 Bi_xFeO_3薄膜的椭偏结果分析  63-68
    4.3.3 Bi_xLa_(0.05)FeO_3薄膜的椭偏光谱分析  68-71
  4.4 本章小结  71
  本章参考文献  71-73
第五章 Bi_xFeO_3薄膜的电学性质研究  73-79
  5.1 引言  73-74
  5.2 Bi_xFeO_3薄膜的电学性质  74-77
    5.2.1 Bi_xFeO_3薄膜的铁电性  74-76
    5.2.2 Bi_xLaFeO_3薄膜的铁电性  76-77
  5.3 本章小结  77
  本章参考文献  77-79
第六章总结与展望  79-83
  6.1 总结  79-81
  6.2 展望  81-83
致谢  83-85
攻读硕士学位期间发表学术论文目录  85

Bi_xFeO_3(0.80≤x≤1.20)薄膜的合成和性质研究

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