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BiFeO_3的制备及其磁电性能研究

【摘要】:多铁性材料由于铁磁和铁电的共存,能够通过电场控制磁性或者通过磁场控制铁电性(磁电调控),引起了人们广泛的关注。到目前为止,已发现的单相多铁材料很少,原因是材料中的铁磁性和铁电性对外层电子结构的要求是相互排斥的,这也造成了室温条件下的单相多铁性材料尤为珍贵。BiFeO3是目前仅有的一种具有室温以上的铁电居里温度(~830℃)和反铁磁奈尔温度(~370℃)的单相多铁性材料,其电与磁的特性及其相互耦合就成为了研究的关注点。由于BiFeO3的宏观磁矩很弱(反铁磁性),应用在自旋电子学器件中通常作为反铁磁钉扎层,利用其与铁磁层之间的交换耦合效应制备相应的电子器件。所以,BiFeO3薄膜的铁电性能和其与铁磁薄膜的交换偏置效应引起人们广泛的关注。因为制备BiFeO3薄膜的过程中Bi的挥发会产生氧空位和Fe价态的波动,导致其具有较大的漏电流,所以在制备样品中必须有效控制漏电流,保证样品的绝缘性良好;其次,要想实现磁电相互调控,在保证交换偏置场的同时,BiFeO3薄膜需要具有良好的铁电性。本论文主要围绕BiFeO3陶瓷和薄膜材料开展了以下几个方面的工作:1、摸索了利用脉冲激光沉积(PLD)制备BiFeO3薄膜的工艺。通过实验参数的优化,得到了制备纯相BiFeO3薄膜的最佳工艺:衬底温度:750℃,氧压:2 Pa,激光能量:360 mJ,频率:10 Hz,靶基距:5 cm;2、利用PLD在(001)SrTiO3衬底上制备了不同Bi含量的BixFeO3薄膜以及不同Li掺杂的Bi1-yLiyFeO3单晶薄膜,在结构、铁电、磁性、疲劳等方面进行了系统的研究,在保证样品具有良好铁电性和交换偏置效应的同时,制备工艺具有可重复性。得到如下结论:(1)XRD分析表明,当样品中的Bi含量超过1.05时,就会出现Bi203杂相,这与SEM图像中的岛状结构相符合;(2)在0.9≤Bi_<1.2时,样品的电滞回线具有良好的形状,但是高于或者低于这个范围时,样品的回线开始变形;Bi含量的变化对漏电流没有明显的影响;(3)在3%浓度的Li掺杂时,对样品铁电性能改善效果最为显著,而且此时漏电流最低,这归因于样品中P型Li掺杂对n型缺陷的中和作用;(4) BiFeO3薄膜的抗疲劳特性通过3%Li的掺杂有所改善,但不明显;(5)Bi和Li含量的变化对于交换偏置场大小没有明显的影响,可以用于后期的磁电调控实验。3、研究了0.8BiFeO3-0.2(Na0.5Bi0.5TiO3) (BFO-NBT)和0.8Bi0.95La0.05FeO3-0.2NBT (BLFO-NBT)陶瓷块材的磁电耦合效应。利用溶胶凝胶法制备了BFO-NBT和BLFO-NBT样品,都得到了明显的磁滞回线。样品BFO-NBT的磁性在加电场极化之后受到明显的抑制(在60 kOe磁场时,从0.726 emu/g下降为0.282 emu/g),但是同样的处理对BLFO-NBT样品的磁性却几乎没有影响。经过研究发现,极化后磁性削弱并不是磁矩在电场下重新取向的原因,而是由氧空位在电场作用下的迁移所致,而在La掺杂的样品中由于氧空位的移动受到抑制。

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