鐵酸鉍系列多鐵材料的制備及電性能研究.pdf

1、近年來，多鐵材料引起了人們的極大興趣。其中，BiFeO3(BFO)由于在室溫下同時具有鐵電性和弱鐵磁性，被認為在信息存儲、集成電路、磁傳感器以及自旋電子器件等方面有誘人的應用前景。
　　 本文采用優(yōu)化的固相燒結(jié)工藝，制備出純相的BFO陶瓷。在對Bi2O3-Fe2O3二元體系的相圖和熱重－差熱分析(TG-DTA)的基礎(chǔ)上，以固相燒結(jié)作為核心的工藝流程，確定了制備純相、平整、光滑的BFO陶瓷大靶的優(yōu)化工藝。另外，本文以制備出的陶瓷為

2、靶材，采用射頻磁控濺射工藝在Pt(111)/Ti/SiO2/Si(001)襯底上沉積BFO薄膜，研究了退火條件對薄膜結(jié)構(gòu)的影響，在大量實驗的基礎(chǔ)上，找到最佳的磁控濺射BFO薄膜的工藝流程。
　　 本論文系統(tǒng)研究了B位Ti摻雜對BFO陶瓷和薄膜性能的影響。隨著Ti摻量的增加，BFO陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)逐漸向斜方變化，晶粒尺寸越來越小，鐵電-順電相變溫度(Tc)逐漸降低。摻Ti后BFO材料的漏電流減小，剩余極化值增大。Ti摻雜后，BFO薄

3、膜的微觀形貌、漏電流、剩余極化和疲勞性都得到改善。Ti摻雜量為10%時薄膜樣品的電性能最好，在200kV/cm電場下，漏電流密度僅為；在500kV/cm的電場下，剩余極化2Pr為21.02μc/cm2；經(jīng)過3×109次極化反轉(zhuǎn)后，剩余極化值仍然在初始值的90%以上。
　　 本論文首次系統(tǒng)研究了A位Dy摻雜對BFO陶瓷和薄膜性能的影響。當Dy含量為20%時，BFO陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)明顯變化。隨著Dy摻量增加，晶粒尺寸越來越小，鐵電-順

4、電相變溫度(Tc)逐漸降低。Dy摻量為10%時陶瓷的漏電流最小，剩余極化值最大。Dy摻雜量為10%時，薄膜樣品的電性能最好，在200kV/cm電場下，漏電流密度僅為，；在300kV/cm的電場下，剩余極化2Pr為13.33μc/cm2。
　　 結(jié)合前面的研究，本論文還對BFO陶瓷進行A、B位同時摻雜，研究了A、B位共摻的BFO陶瓷的性能。結(jié)果顯示，A、B位共摻抑制了不純相的生成，進一步提高了BFO陶瓷的鐵電性能。最佳的摻雜方式和

5、摻量為A位Dy和B位Ti同時摻雜，摻量均為10%。另外，本論文還通過射頻磁控濺射，將A位摻雜BFO薄膜和B位摻雜BFO薄膜組成雙層膜，研究了該雙層膜的電性能，并對結(jié)果進行了理論分析。
　　 最后，本論文還提出了一個具有退極化場的鐵電雙層膜模型。給出了有退極化場和無退極化場時極化的空間分布和電滯回線的圖象，研究了退極化場和界面耦合對二級相變鐵電雙層膜極化的影響。結(jié)果表明，鐵電耦合時，退極化的作用使各層的極化趨于更均勻，界面耦合對極

6、化的空間分布和電滯回線的形狀都有很大的影響；反鐵電耦合時，隨著反鐵電耦合的增強層內(nèi)的極化增大，但退極化場導致層內(nèi)極化的降低。當退極化場相對于層間耦合較強時，反鐵電耦合的雙層膜的層內(nèi)極化取向一致。界面耦合和退極化場之間存在競爭關(guān)系。
　　 總而言之，本論文研究的主要結(jié)果和創(chuàng)新如下：
　　 1、獲得了制備BFO陶瓷的固相燒結(jié)較佳工藝條件。采用快速升溫、多次烘烤、單獨排膠和帶壓燒結(jié)等方法制備出了純相、致密、平整的BFO陶瓷。得

7、到了最佳摻雜方式和摻雜量: A位Dy與B位Ti共摻，摻量各為10%。
　　 2、采用射頻濺射工藝制備了BFO系列鐵電單層和雙層薄膜，探索了A位Dy摻雜、B位Ti摻雜薄膜的優(yōu)化工藝，制備出結(jié)構(gòu)均勻、鐵電性較強及漏電流密度小的BFO薄膜。
　　 3、提出了具有退極化場的鐵電雙層膜模型，得到了退極化場的表達式。研究發(fā)現(xiàn)退極化場和界面耦合對二級相變鐵電雙層膜自發(fā)極化的空間分布和電滯回線有重要影響，鐵電耦合時退極化場的作用使各層的