老化对BiFeO<,3>基薄膜多重铁性的影响研究
在很多材料中都能观察到老化现象，它表现为材料的某些性质随着时间的推移而逐渐发生变化。在铁电材料中，老化行为主要表现为双电滞回线现象和矫顽场的非对称现象。
多铁材料BiFeO3(BFO)具有在多功能器件中应用的潜在价值，已被广泛研究。已经证明，在500℃到670℃的范围内N2或低氧分压气氛下退火可以得到有较理想的铁电性能的BFO薄膜，这个温度比BFO的居里温度(～850℃)低的多。因此，薄膜在沉积或退火处理过程中应该会发生老化，也就是说，铁电畴会被由氧空位和低价离子(如Fe2+)形成的缺陷偶极子逐步稳定。
为了证明这一假设，本文采用金属有机物分解法(MOD)，通过层层退火工艺在低温制备了一系列无杂相的分别在A位和B位进行了低价掺杂的BFO铁电薄膜，并进行了各自详细的性能研究和两者的对比研究，主要内容如下：
在ITO玻璃衬底上制备了B位掺杂Zn的BiFe0.95Zn0.05O3(BFZO)薄膜，并在BFZO薄膜中研究了由老化导致的双电滞回线和非对称的矫顽场。在未经处理的薄膜中观察到了双电滞回线，这说明薄膜已有部分老化。老化现象的原因是薄膜中氧空位和受主缺陷之间形成了缺陷偶极子。在应用电场增加的过程中发生了从双电滞回线到单电滞回线的不可逆的转变，这应该是由于缺陷偶极子的断开和71°/109°畴的翻转造成的。低电场区的双电滞回线主要是因为180°畴的逆向翻转。此外，研究还发现矫顽场的非对称性强烈依赖于电场的大小和频率。观察到的非对称的矫顽场应该是因为由缺陷偶极子产生的区域电场给极化方向择优的BFZO薄膜的畴逆翻转提供了优先的驱动力。
为了比较老化行为对A位掺杂和B位掺杂的BFO薄膜的多重铁性的影响，在完全(001)取向的镍酸镧电极上分别外延制备了完全(001)取向的A位掺杂Ca的Bi0.95Ca0.05FeO3(BCFO)和B位掺杂Ni的BiFe0.95Ni0.05O3(BFNO)薄膜，分别研究了BCFO和BFNO各自的老化行为。在逐渐提高电滞回线测试电压的过程中，观察到电滞回线的在不同电压下的演化过程，发现BCFO和BFNO薄膜都存在老化行为，但BCFO的老化程度明显低于BFNO，其表现为BCFO可以在比BFNO低的电压下退老化。从晶体结构和缺陷化学的角度出发，提出了由于缺陷所处格点位置的差别及其导致的内部区域电场对称性的差别造成了两者畴稳定化程度的差别，即老化程度的差异的观点。另外，BCFO的漏电流比BFNO高近三个数量级，说明BCFO中一方面存在较少或较弱的缺陷偶极子，另一方面B位低价掺杂对Fe2+的抑制作用比A位掺杂强。铁磁性方面，BCFO的剩余磁化强度明显低于BFNO，说明缺陷偶极子形成的内部区域电场同样影响了两者的铁磁性能。
在ITO玻璃衬底上低温制备了一系列无杂相的A位掺杂Ca的Bii.xCaxFeO3(BCFO)铁电薄膜。对不同Ca掺量的BCFO薄膜进行了X射线衍射(XRD)分析，发现利用MOD技术制备的BCFO晶体相图中不稳定铁电相区扩大，在Ca掺量为0.2时仍处于铁电相，且在x=0.125和x=0.15处晶格常数显著偏低，偏离维加德定律(Vegard’s law)。通过对Ca掺杂对BCFO表面能影响的分析，解释了造成不同掺量BCFO薄膜取向差异的原因。制得了各掺量样品的Au/BCFO/ITO/glass铁电电容，经过高压反复极化退老化处理后，在8-50V电压范围对其进行了铁电性能测试，得到了矩形度良好的电滞回线，说明高压反复极化为实用的退老化方法。发现Ca掺杂降低了薄膜的漏电流，但并未改变BCFO薄膜主极化轴方向，剩余极化强度仍跟随(202)峰强度变化，其中性能最好的x=0.05的样品的剩余极化强度(Pr)和矫顽场(Ec)分别为48μC/cm2和545kV/cm。
多铁材料;老化行为;铁电材料;BCFO薄膜
济南大学
硕士
材料物理与化学
胡广达
2010
中文
TM221
64
2010-12-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）