外场调控下BaTiO3薄膜的特性与器件应用研究

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近几年由于铁电铁磁材料优良的物理特性和其在非易失性存储器、热释电器件以及微波压控器件中巨大的应用前景,人们对其的关注度也越发的加大,特别是在铁电材料的制备和调控上吸引了大量的目光。但是,在铁电薄膜的制备上,通常是将铁电薄膜生长在刚性衬底上,这会使薄膜受到刚性衬底的钳制,从而削弱薄膜特性,因此,应制备高质量自支撑的薄膜来克服这种固有缺陷,这种薄膜可以提供更多的自由度,以改变和优化铁电行为。在铁电薄膜的调控上,通常应力只能通过薄膜和生长衬底之间的晶格系数或者热扩散行为的不同,或者在生长过程中缺陷沉积来引入。而这些传统方法引入的双轴应变可以施加应变的幅度相对较小,而且缺少连续性改变应变状态的能力。这些限制将削弱对铁电体的调控和性能的提高。本论文通过腐蚀牺牲层可以将自支撑的铁电(铁磁)薄膜转移至柔性衬底上,从而使薄膜摆脱衬底钳制的限制,一方面可以通过弯曲柔性衬底实现机械应力对铁电(铁磁)薄膜的连续调控;另一方面可以通过磁场实现对铁电(铁磁)薄膜的调控。本论文主要从BaTiO3单层及BaTiO3-CoFe2O4双层异质结的制备到衬底转移以及器件的制备和测试进行了一系列的研究,具体工作包括以下几个部分:第一、使用脉冲激光沉积系统在(001)晶向的SrTiO3衬底上对BaTiO3、BaTiO3-CoFe2O4的生长工艺参数进行了优化,制备了高质量的BaTiO3、BaTiO3-CoFe2O4薄膜。第二、利用衬底转移法成功剥离掉SrTiO3衬底,得到了可转移的BaTiO3、BaTiO3-CoFe2O4薄膜,自支撑的薄膜依然保持了较高的完整性和外延单晶性,为柔性器件的制备提供了材料基础。第三、将自支撑的BaTiO3薄膜转移到柔性衬底上制备成MSM结构器件,测试表明自支撑薄膜保留了良好的铁电性能。然后通过弯曲衬底引入了不同大小的机械单轴应力,实现了应力对BaTiO3薄膜极化特性的连续调控。第四、将自支撑的BaTiO3-CoFe2O4薄膜制备成MSM结构器件,探究了其在磁场调控下所表现出的磁电耦合特性。对比直接生长的薄膜,发现自支撑薄膜由于摆脱了刚性衬底的钳制,在磁场环境中表现出更好的压电特性及增强的磁电耦合效应,可以用于制备高灵敏的磁场探测器件。
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