BiFeO3薄膜结构与缺陷的像差校正透射电子显微学研究
作为目前唯一发现的室温单相多铁材料，BiFeO3具有大的自发极化强度及多种序参量的相互耦合，因而具有丰富的结构和物理特性。为了满足器件小型化和高性能的发展需求，对无铅多铁BiFeO3薄膜的研究成为研究者关注的热点问题。为进一步促进其应用，阐明薄膜内微观结构对宏观性能的影响至关重要。本论文中，我们利用脉冲激光沉积技术设计生长多种BiFeO3薄膜体系，借助像差校正透射电子显微方法针对BiFeO3的畴及畴壁、相组成、缺陷及相互之间的耦合行为进行了深入的研究。 极性拓扑畴在高密度信息存储方面具有潜在应用，是大家关注的热点话题。为了研究无铅多铁BiFeO3薄膜中的极性拓扑畴，我们通过降低衬底的对称性在TbScO3(010)O衬底上设计生长了BiFeO3/GdScO3/BiFeO3薄膜。研究发现两个正交结构夹持的BiFeO3层中形成了周期性的109°畴组态。利用扫描透射电子显微术研究发现109°畴壁以交替的方式一端终止于薄膜的内部，另一端终止于异质界面处，从而分别在上下界面处形成线状分布的三角形区域。结合实验和第一性原理计算结果确定了三角形区域为BiFeO3的极性正交相。该极性正交相与109°畴壁末端的极化共同形成了涡旋结构。极性正交相的产生是衬底对BiFeO3施加大的压应变和强氧八面体耦合作用以及109°畴壁末端形成的局域电场共同导致。此外，BiFeO3层所处边界条件的对称性不会影响涡旋的存在与否。该工作在多铁材料BiFeO3薄膜中调控出具有两相共存特征的极性涡旋结构，有利于实现基于铁电材料的高密度信息存储。 为了进一步揭示薄膜中不同边界条件对极性拓扑畴的影响，我们设计生长了不同厚度的BiFeO3/GdScO3/BiFeO3/TbScO3(010)O多层膜。研究发现，被正交结构夹持的BiFeO3层在不同厚度下分别形成了109°和180°畴组态;而靠近表面的BiFeO3层在不同厚度下均形成了109°畴结构。分析认为在两种畴壁末端均会形成局域化的电场，进而促进极性拓扑结构的形成。利用扫描透射电子显微术进行研究发现，在正交结构夹持的BiFeO3层中，109°畴壁末端形成了两相涡旋和全闭合结构;180°畴壁末端形成了半涡旋结构。而在靠近表面的BiFeO3层中全闭合纳米畴的形成受到另一层BiFeO3中畴组态的影响。该工作讨论了不同边界条件对多种拓扑纳米畴形成的影响，这对设计其他拓扑畴结构具有指导意义。 以上研究发现BiFeO3薄膜内的畴结构和相组成之间存在一定程度的关联。为了阐明畴壁与相变之间的结构联系，我们在对BiFeO3薄膜具有各向异性的双轴失配压应变的NdGaO3(010)O衬底上设计了两种BiFeO3薄膜体系，分别为单层BiFeO3薄膜和BiFeO3/GdScO3双层膜。利用高角环形暗场像和环形明场像技术研究发现，随着单层BiFeO3薄膜厚度降低，薄膜中的结构逐渐从180°畴壁转变为反铁电相。当在BiFeO3上覆盖一层GdScO3时，薄膜中的反铁电相结构更容易稳定。通过比较不同密度的180°畴壁和反铁电相的精细结构发现，180°畴壁的晶格畸变与反铁电相的晶格调制特征类似，说明畴壁处的结构畸变会为反铁电相的反极性位移特征提供原子尺度的结构基础。结合第一性原理计算确定了异质界面处强氧八面体耦合会进一步稳定反铁电相。该工作在纯相单层BiFeO3薄膜中实现了反铁电相变，阐明了反铁电相的形成机制，有望为设计高储能密度的电子器件提供借鉴意义。 通过合理调控铁电薄膜内畴和相结构，有利于优化铁电薄膜的物理性能，促进相关电子器件的应用，然而薄膜内的生长缺陷会显著降低器件的性能。因此，研究铁电薄膜内带电缺陷，尤其是普遍存在的氧空位，对铁电极化甚至畴结构的影响至关重要。我们通过调控薄膜生长参数在NdGaO3(110)O衬底上制备了具有不同氧空位浓度的BiFeO3薄膜。研究发现BiFeO3薄膜内高浓度的氧空位会发生偏聚，形成许多氧空位片，并且氧空位片会影响周围BiFeO3的极化分布，进一步导致尾对尾带电畴结构的形成。当薄膜的退火氧压较低时，薄膜内的氧空位片之间不存在相互作用，且随着单一氧空位片尺寸增加，其诱导的带电畴壁类型会从71°畴壁转变为109°畴壁。进一步降低薄膜退火氧压，相邻氧空位片之间的水平距离减小，它们对周围极化的影响会发生耦合，从而稳定了71°-109°畴壁对。随后我们结合相场模拟证实了氧空位片对BiFeO3极化的调控行为。该工作系统研究了氧空位缺陷对铁电极化和畴结构的调控行为，这对设计高性能的电子器件具有指导意义。
BiFeO3薄膜;透射电子显微学;像差校正;结构缺陷;脉冲激光沉积
中国科学技术大学
博士
材料物理与化学
马秀良;朱银莲
2021
中文
TB383
2021-06-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）