论文部分内容阅读
多铁材料是凝聚态物理和材料科学领域一个重要的研究课题。在信息存储、自旋电子设备、磁-光-电耦合器件和铁电光伏效应等领域，多铁材料都具有极大的应用价值，是实现设计多功能器件非常重要的候选材料。铁酸铋(BiFeO3，BFO)是唯一在室温下同时具有铁电性和反铁磁性的多铁材料，但由于 BFO的绝缘性和大的漏电流，限制了其在半导体电子器件方面的应用。论文针对BFO的这一固有缺陷，利用ITO(Indium Tin Oxide)玻璃基片和掺铝的氧化锌(ZnAlO，ZAO)创造性地设计出了ZAO/BFO/ITO玻璃异质结构，研究了其电输运特性，拓宽了BFO在设计多功能光电子器件方面的应用。利用压电力显微镜(Piezoresponse Force Microscope，PFM)揭示了BFO多晶薄膜中的铁电畴结构和极化翻转情况，并实现了低电压下的极化刻蚀，取得了比较理想的研究结果。研究结果为 BFO基于铁电光伏效应的光电器件和铁电随机存储器件的设计奠定了基础。六角锰酸盐单晶丰富的铁电畴结构也是目前吸引人的研究热点之一。利用PFM实现了对锰酸铒(ErMnO3，EMO)和锰酸镥(LuMnO3，LMO)单晶铁电畴结构的观测，呈现了铁电涡旋畴的立体形貌，揭示了铁电涡旋畴的反演过程，开创了独特的实验测试方法。论文对BFO多晶薄膜、EMO和LMO单晶中铁电畴的这一系列研究为多铁材料的研究提供了新的方向；开辟了多铁材料广阔的应用前景；丰富了多铁材料畴工程的研究内容；对多铁材料铁电畴物理理论机制的深入探索也具有重要的意义和研究价值。 论文采用溶胶凝胶法和固相反应烧结法分别制备了BFO靶材和ZAO靶材，采用脉冲激光沉积法制备了ZAO/BFO/ITO玻璃异质结构，通过低温电输运测量系统研究了ZAO/BFO/ITO玻璃异质结构的电输运特性，对漏电流机制进行了分析并讨论了磁电阻效应；采用磁控溅射法分别在有无缓冲层镊酸镧(LaNiO3，LNO)的Pt/Ti/SiO2/Si(111)基片上沉积了单层BFO多晶薄膜，通过X射线衍射、原子力显微镜和拉曼光谱对比了这两组BFO多晶薄膜的生长，揭示了LNO对BFO形貌和微结构的影响；通过系列不同直流偏压下PFM的极化翻转实验和单点铁电电滞回线的测试，分析了影响BFO多晶薄膜的铁电畴极化翻转的因素；采用熔剂烧结法生长了EMO和LMO单晶，通过侧面的PFM、斜抛面的PFM和逐层抛磨晶体ab面的PFM扫描，实现了对EMO和LMO铁电畴的立体成像，并得到了铁电涡旋畴相变和反演过程理想的实验结果。论文的主要研究成果与创新点如下： 1.创造性地设计出了npn型ZAO/BFO/ITO玻璃异质结构。由于BFO薄膜中含有大量氧空位，可将BFO薄膜当作p型半导体对待；与其他n型半导体材料结合的这一设计拓宽了BFO薄膜在电子器件等方面的应用方向。电输运特性研究结果表明：在低温60K—240K之间，该异质结构存在弱的整流行为；漏电流机制属于块体限制普尔-弗伦克尔发射机制(Bulk-limited Poole-Frenkel，BLPF)；在正负偏流下，该异质结构的阻温曲线存在明显的差异，这归因于BFO层中铁电极化的翻转以及半导体层和铁电体BFO层之间的界面电荷耦合；在外磁场0.3T作用下，该异质结构表现为负的磁电阻效应，在160K以下，随着温度的降低，磁电阻明显增大，BFO层自旋相关散射和异质结构的界面电阻是负磁电阻的主要原因。 2.利用缓冲层LNO来调节BFO多晶薄膜在Pt/Ti/SiO2/Si(111)基片上的结晶生长情况。实验结果显示：缓冲层 LNO有效缓解了BFO和基片之间的晶格不匹配，改变了BFO薄膜的生长晶向、减小了晶粒的大小，表面形貌更加平整光滑；无缓冲层LNO时，200nm厚度是BFO薄膜的择优厚度，表面光滑致密，颗粒均匀度好；而有缓冲层LNO时，LNO的厚度越厚，其优化BFO薄膜晶粒生长的作用越明显。 3.对BFO多晶薄膜实现了铁电畴的极化翻转刻蚀，为BFO多晶薄膜的研究开拓了新的方向。系列不同电压的极化翻转实验发现样品中向上的极化畴占主导地位，向下翻转铁电畴比向上翻转容易，这与单点电滞回线所示的不对称的正负矫顽力一致；BFO多晶薄膜中不完全的畴翻转是由于外加电压的不足、不同晶粒中的畴壁密度、杂质的缺陷效应以及铁弹畴的位移/成核引起的应变效应等导致产生的。在极化翻转边界外的部分铁电畴也被翻转了，归因于在晶粒边界畴壁的长程作用和畴生长等因素。实验还发现通过减小薄膜厚度可实现较低电压对铁电畴的翻转，在50nm厚的BFO多晶薄膜上用较低的+8V直流电压成功完成了铁电极化刻蚀。 4.对EMO和LMO单晶PFM扫描实验方法进行了创新设计，突破了传统的在样品表面直接进行扫描的方法，而对样品进行了拋磨，成功得到了沿着斜面和侧面扫描的PFM图片，以及实现了沿着晶体ab平面逐层拋磨原位扫描，清晰呈现了样品中畴结构的立体三维图和涡旋核结点轨迹；直观观测到EMO和LMO样品内部的涡旋畴结构和扩散过程，从实验的角度揭示了在离散的各异性中会出现连续对称性，即铁电相变 Tc处连续对称性U(1)引起拓扑涡旋扩散，开创了独特的实验方法，这与Monte Carlo数值模拟的结果完全吻合。实验数据显示：在不同退火温度下铁电畴结构表现为不同的形态，Tc以下退火的EMO单晶存在有丰富的非涡旋铁电畴结构；对比自然生长的、Tc以下退火的和Tc以上退火处理的LMO单晶侧面、斜抛面和平行ab晶面逐层抛磨平面PFM图像，观测到了铁电涡旋畴在临界点处的相变过程。