谈磁学多铁性BiFeO_3薄膜和Fe_3O_4/BiFeO_3复合薄膜结构、磁性和铁电性库

论文导读：
摘要：磁电材料是一种同时具有铁磁(反铁磁)/铁电性和磁电耦合特性的功能材料，它可以实现电写磁读并降低能量损耗，由此多铁性材料具有重要的运用价值。BiFeO_3是目前发现的唯一具有反铁磁性和铁电性的室温多铁材料，因磁性较弱难以实现强磁电耦合效应而限制了其在磁电存储器方面的运用。我们通过制备Fe_3O_4/BiFeO_3铁磁/铁电复合薄膜实现了磁性增强，并且发现了界面强磁电耦合效应。本论文用磁控溅射法制备了多晶和外延BiFeO_3薄膜、外延Fe_3O_4薄膜以及Fe_3O_4/BiFeO_3异质外延结构，并对它们的结构、磁学性质和铁电特性进行了实验探讨。不同退火条件下制备的多晶和外延BiFeO_3薄膜均为纯相正分ABO3型钙钛矿结构，薄膜的致密性和外延特性随着氧分压的增加而提升。由于BiFeO_3具有~62nm周期长度的G型螺旋磁结构，外延BiFeO_3薄膜的磁化强度随薄膜厚度的增大而单调减小。不同条件下退火的BiFeO_3薄膜的电流电压测量曲线表明薄膜的整流效应与氧空位的填充和缺失密切相关，这是由于转变退火条件(如氧分压)可以调控氧空位的密度，而氧空位是铁电薄膜中产生漏电流的主要理由。Fe_3O_4/BiFeO_3异质外延结构的饱和磁化强度与BiFeO_3薄膜厚度有着反比例变化联系，尤其是在BiFeO_3薄膜厚度降低到~22nm时，与单层BiFeO_3薄膜和Fe_3O_4薄膜相比，Fe_3O_4/BiFeO_3异质结的饱和磁化强度值增大了33%，其物理机制是在外加磁场的作用下，Fe_2~BO_4/FeO界面层处的两相通过轨道重组发生铁磁双交换作用以及Fe离子磁矩反转为铁磁排列而导致磁矩增强。经计算，Fe_3O_4/BiFeO_3异质结的两相在界面处只需分别提供5nm/3nm的厚度层便可实现饱和磁化强度值增大33%。在铁电性方面，与单层BiFeO_3薄膜相比，Fe_3O_4/BiFeO_3/Nb:SrTiO3异质结的整流比值增大了约三个量级，这是由电极与薄膜界面处形成的不同高度的肖特基势垒所导致的。关键词：BiFeO_3薄膜论文Fe_3O_4/BiFeO_3异质结论文磁学性质论文铁电性质论文界面耦合论文
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ABSTRACT4-9
第一章 综述9-36

1.1 铁电材料及其基本性质9-18

1.1 铁电材料的基本概念9-10

1.2 铁电材料基本性质及其运用10-13

1.2.1 压电性质10-11

1.2.2 热释电性质11-12

1.2.3 电光效应12

1.2.4 尺寸效应12-13

1.3 铁电体的分类13-15

1.4 铁电薄膜材料在存储器中的运用与进展15-18

1.4.1 铁电随机存储器(FeRAM)15-16

1.4.2 铁电场效应晶体管(FeFET)16-17

1.4.3 铁电动态随机存储器(DRAM)17-18

1.2 磁性材料及其运用18

1.3 多铁性材料的探讨进展18-24

1.3.1 单相磁电材料20-22

1.3.2 磁电复合薄膜22-24

1.3.3 磁电耦合24

1.4 室温多铁材料 BiFeO_3的探讨近况24-33

1.4.1 室温多铁材料 BiFeO_3的结构25-26

1.4.2 BiFeO_3的磁学性质26

1.4.3 BiFeO_3的铁电性质26-28

1.4.4 BiFeO_3的漏电不足28

1.4.5 铁电材料的主要导电机制28-31

1.4.6 BiFeO_3在自旋电子学中的运用31-32

1.4.7 尖晶石钙钛矿型铁磁/铁电复合结构的探讨近况32-33

1.5 薄膜的制备策略33-34

1.6 本论文的工作34-36

第二章 样品的制备、结构表征与物性测量36-42

2.1 射频磁控溅射原理36

2.2 薄膜样品的制备36-37

2.3 结构表征与物性测量37-42

2.3.1 表面形貌、结构与成份表征37-39

2.3.

1.1 表面形貌测量仪(台阶仪)37

2.3.

1.2 X 射线衍射(XRD)37-39

2.3.

1.3 扫描电子显微镜(SEM)39

2.3.1.4 X 射线光电子能谱(XP论文导读：BiFeO_3薄膜的铁电性质47-513.2外延BiFeO_3薄膜的结构、成份和磁电输运性质51-623.2.1外延BiFeO_3薄膜的结构51-563.2.2外延BiFeO_3薄膜的磁学性质56-573.2.3外延BiFeO_3薄膜的铁电性质57-623.3多晶和外延BiFeO_3薄膜中整流效应的比较62-633.4本章小结63-65第四章Fe_3O_4/BiFeO_3外延异质结的结构与性质65-854.
S)39

2.3.2 物性测量39-40

2.3.1 物理性质测量系统(PPMS)40

2.3.2 磁性测量系统(MPMS)40

2.3.3 铁电测量仪(TF Analyzer 2000)40-42

第三章 多晶和外延 BiFeO_3薄膜的结构与性质42-65

3.1 多晶 BiFeO_3薄膜的结构、成份和磁电输运性质42-51

3.

1.1 多晶 BiFeO_3薄膜的结构42-45

3.

1.2 多晶 BiFeO_3薄膜的表面形貌和成份浅析45-46

3.

1.3 多晶 BiFeO_3薄膜的磁学性质46-47

3.

1.4 多晶 BiFeO_3薄膜的铁电性质47-51

3.2 外延 BiFeO_3薄膜的结构、成份和磁电输运性质51-62
3.

2.1 外延 BiFeO_3薄膜的结构51-56

3.

2.2 外延 BiFeO_3薄膜的磁学性质56-57

3.

2.3 外延 BiFeO_3薄膜的铁电性质57-62

3.3 多晶和外延 BiFeO_3薄膜中整流效应的比较62-63

3.4 本章小结63-65

第四章 Fe_3O_4/BiFeO_3外延异质结的结构与性质65-85

4.1 Fe_3O_4/BiFeO_3外延异质结的制备与结构表征65-71

4.

1.1 外延 Fe_3O_4薄膜的结构表征66-68

4.

1.2 Fe_3O_4/BiFeO_3外延异质结的结构表征68-71

4.2 Fe_3O_4/BiFeO_3外延异质结的磁学性质71-79

4.3 Fe_3O_4/BiFeO_3外延异质结的铁电性质79-84

4.4 本章小结84-85

第五章 结论85-86
参考文献86-96
攻读硕士学位期间发表的学术论文96-97
致谢97