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BiFeO₃/La_0.7Sr_0.3MnO₃多层薄膜的制备与表征

作　者: 姜平
导　师: 唐为华
学　校: 浙江理工大学
专　业: 应用化学
关键词: 磁控溅射 BiFeO3/La0.7Sr0.3MnO3多层薄膜电学性质
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

多铁材料是指包含两种及两种以上铁性（铁电、铁磁、铁弹）的材料。目前铁电有序和铁磁或反铁磁有序共存的铁磁电多铁材料具有磁电耦合效应,引起人们的广泛兴趣。磁电耦合效应使得多铁材料在信息存储、自旋电子学、非线性磁光效应以及传感器等领域具有潜在的应用前景。BiFeO₃是为数不多的室温下铁电性和反铁磁性共存的单相多铁材料,具有畸变钙钛矿结构,空间群为R3c,其铁电转变温度（居里温度）为TC = 1103 K,反铁磁转变温度（奈尔温度）为TN = 643 K。目前,多铁BiFeO₃和其他钙钛矿结构的材料制备成多层薄膜,进而研究其中的电、磁性质和磁电合效应是一个较前沿的研究方向。本文分别在S（i001）, （110）和SrTiO₃（STO）（001）,（110）衬底上采用射频磁控溅射的方法制备了La_0.7Sr_0.3MnO₃ （LSMO）单层薄膜、BiFeO₃ （BFO）单层薄膜和BFO/LSMO多层膜。通过透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）、X射线全反射（XRR）、荧光光谱（PL）、低温测量系统、铁电测量系统等分析测试手段,研究了BFO单层薄膜、LSMO单层薄膜和BFO/LSMO多层薄膜的形貌、结构、厚度、光学和电学性质。主要研究成果如下:1.分别在Si（001）,（110）和STO（001）,（110）衬底上采用射频磁控溅射的方法分别制备了LSMO单层薄膜和BFO单层薄膜,并在STO（001）,（110）衬底上制备了BFO/LSMO多层膜,分析了衬底和沉积温度、溅射气压、溅射功率等工艺参数对薄膜结构和性能的影响。通过实验和分析找到了在STO（001）衬底上BFO/LSMO多层膜的最佳工艺参数。制备了一系列择优取向明显的BFO/LSMO多层膜。2.对生长在STO（001）衬底上择优取向的BFO单层膜与BFO/LSMO多层膜进行了光学性质的测试得知具有较强的荧光特性。对透射电镜及电子衍射图谱的分析可以知道BFO和LSMO层均受到衬底STO的应力影响,晶体结构由四方向赝立方转变,且同种材料在相同的沉积时间随着层数的增多子层厚度增加。AFM图谱的上电极表面粗糙度、晶粒大小与下电极不同,同样表明衬底应力影响薄膜生长。X-射线分析表明生长的薄膜具有择优取向,且通过X射线全反射测试和公式计算获得薄膜的厚度。3.测试了系列BFO/LSMO多层膜的电滞回线、R-T曲线和I-V曲线。经分析可知多层薄膜均存在电诱导现象与居里转变温度,BFO、LSMO以串联的方式结合在一起。LSMO层起着外磁场的作用,外磁场同内磁场作用相同会使La_0.7Sr_0.3MnO₃层的铁磁性增强;BFO层起着外电场的作用,外电场同内电场作用相同会使BFO层中的漏电机制随着电场强度的改变而改变,使多层膜的金属—绝缘转变温度随BFO厚度的增加电阻增大,且向低温方向移动。4.热处理与掺杂对生长在STO（001）,（110）衬底上的BFO/LSMO多层膜有较明显的影响。并对多层膜进行了电学性质的测试可知热处理后多层膜的电阻明显降低、Tc转变温度增大;掺杂使相同厚度的BFO单层膜电阻增大,且热处理对掺杂的BFO单层膜与BFO/LSMO多层膜有同样的影响。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-26
  1.1 多铁材料  11-14
    1.1.1 多铁材料的定义  12
    1.1.2 磁电耦合效应  12-13
    1.1.3 磁电多铁材料的分类  13-14
  1.2 单相多铁材料BiFeO_3  14-18
    1.2.1 BiFeO_3 的结构  15
    1.2.2 BiFeO_3 的性能  15-16
    1.2.3 BiFeO_3 的研究现状  16-18
  1.3 锰基钙钛矿材料  18-19
    1.3.1 锰基钙钛矿材料的结构  18
    1.3.2 锰基钙钛矿材料的性能  18-19
    1.3.3 锰基钙钛矿巨磁阻材料的研究的现状  19
      1.3.3.1 Re1-xAxMnO_3 的再掺杂  19
      1.3.3.2 低场磁电阻(LFMR)  19
  1.4 研究的目的及意义  19-21
  参考文献  21-26
第二章实验及原理  26-37
  2.1 薄膜的沉积原理  26-28
    2.1.1 形核生长简介  26
    2.1.2 形成薄膜的三种模式  26-27
    2.1.3 形核与生长的物理过程  27-28
    2.1.4 连续薄膜的形成  28
  2.2 射频磁控溅射的基本知识  28-31
    2.2.1 射频磁控溅射的原理  28-29
    2.2.2 溅射过程  29-30
    2.2.3 射频磁控溅射（RF- magnetron sputtering）的优点  30
    2.2.4 本文所用射频磁控溅射设备介绍  30-31
    2.2.5 衬底的清洗方法  31
  2.3 样品的测试和分析方法  31-36
    2.3.1 晶相结构分析  31-32
    2.3.2 薄膜的厚度测量  32-33
    2.3.3 薄膜的表面形貌及成分分析  33-34
    2.3.4 电学性质测量  34-36
  参考文献  36-37
第三章 La_(0.7)Sr_(0.3)MnO_3与BiFeO_3多层膜的制备与研究  37-48
  3.1 材料介绍  37-39
    3.1.1 La_(0.7)Sr_(0.3)MnO_3 概述  37-38
    3.1.2 BiFeO_3 概述  38-39
  3.2 La_(0.7)Sr_(0.3)MnO_3、BiFeO_3 单层膜工艺参数的确定  39-43
  3.3 多层薄膜的表征  43-45
    3.3.1 XRD 表征  43-44
    3.3.2 AFM 表征  44
    3.3.3 TEM 表征  44-45
  3.4 成膜速率测算  45-46
  3.5 小结  46-47
  参考文献  47-48
第四章不同亚层BiFeO_3/La_(0.7)Sr_(0.3)MnO_3多层薄膜的性质  48-63
  4.1 多层膜概述  48
  4.2 多层薄膜的制备  48-50
    4.2.1 实验方法  48-49
    4.2.2 周期厚度的控制  49-50
  4.3 多层膜的电性能研究  50-59
    4.3.1 电性能测试方法  50-51
    4.3.2 不同子层厚度的电滞回线分析  51-52
    4.3.3 不同子层薄膜的电阻—温度曲线分析  52-56
    4.3.4 不同子层的电诱导现象分析  56
    4.3.5 不同子层的电流—电压曲线分析  56-59
  4.4 热处理的影响  59-60
  4.5 PL 测试  60
  4.5 小结  60-62
  参考文献  62-63
第五章掺杂对BiFeO_3/La_(0.7)Sr_(0.3)M1103多层薄膜的影响  63-69
  5.1 掺杂概述  63
  5.2 掺杂样品的制备  63
  5.3 电性能的测试方法  63-65
    5.3.1 电滞回线  64
    5.3.2 掺杂样品的电诱导现象分析  64-65
    5.3.3 掺杂样品的电流—电压曲线分析  65
  5.4 热处理的影响  65-66
  5.5 本章小节  66-67
  参考文献  67-69
第六章结论及展望  69-72
  6.1 结论  69
  6.2 展望  69-72
致谢  72-73
硕士期间完成的论文  73

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