氧化物复合异质结的制备及磁电耦合效应研究

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磁电耦合效应在能量转换、传感信号和监测磁(电)场方面有巨大应用前景,由于同时具备铁磁性和铁电性,多铁材料可以用于多态存储器的制备,从而提高了信息的存储率节省存储空间,然而,单相多铁性材料在室温下的磁电耦合效应难以实现,研究者提出了磁电复合薄膜材料(简称2-2型异质结薄膜),2-2结构的优点在于它一致有序的交界面,但是于衬底钳制作用限制了铁电薄膜的应变,导致磁电耦合效应微弱。在本论文中针对2-2结构的缺点提出了一种消除衬底限制的方法,通过此方法可以得到高质量可转移的准二维异质结薄膜,与传统的薄膜相比,这些准二维纳米薄膜消除刚性衬底的约束,薄膜的压电特性与磁电耦合效应都得到了提高。本论文主要从氧化物异质结薄膜的制备到衬底转移以及原型器件制备进行了一系列的研究。第一、利用PLD在STO衬底上优化了BaTiO3/CoFe2O4/MgO薄膜的制备工艺。对每一层薄膜的生长参数进行了优化,通过实验发现MgO与CFO薄膜的生长条件基本一致,所需激光能量密度较高,MgO与CFO的粗糙度(RMS)分别为0.21nm与0.19nm。BTO薄膜的生长较为容易所需能量较低,背景真空也相对低一些,粗糙度(RMS)为0.31nm。第二、对纳米级厚度的薄膜转移工艺进行了优化,通过溶液腐蚀的方法得到了可转移的BTO-CFO异质结薄膜。提出三种不同的转移方法:Au保护转移、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)保护转移和聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)保护转移,利用PMMA,10%的(NH42SO4溶液在80?C条件下腐蚀,最终得到了5×5mm完整的可转移BTO-CFO异质结薄膜,将其转移到了硅与云母上,转移后的薄膜保持了原样品的结晶质量。第三、关于薄膜特性的研究,首先分别测试了BTO与CFO的铁电性与铁磁性;通过测试发现柔性弯曲BTO-CFO异质结薄膜的压电特性要优于未弯曲薄膜;同时对转移薄膜的阻变进行了研究,这可用于多态存储器;而且将BTO薄膜转移到HEMT栅上使其阈值电压正漂0.5V;并且基于磁电耦合效应制备了弱磁信号探测器,在磁场的作用下器件导通电流出现3个量级的变化,说明磁场探测灵敏。本论文提出的转移方法可以应用于其它不同材料薄膜的转移。虽然薄膜沉积技术的发展使得外延出不同材料的原子级别精度的准二维薄膜异质结成为可能,然而,由于晶格不匹配和生长温度较高,使得直接在任意衬底(例如Si、PDMS和Mica等)上制备高质量氧化物薄膜依然十分困难。论文中的转移方法使的获得柔性氧化物超薄膜异质结的制造成为可能。这对于功能氧化物基础研究与柔性电子器件等应用具有重要的意义。
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