Bi6Fe2-xCoxTi3O18外延单晶薄膜的生长和分析表征

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单相多铁材料由于在多态存储、自旋电子设备、传感器等方面具有潜在的应用前景,因而受到大家广泛的关注。但是,由于铁电性和铁磁性在电子结构上的互斥性,单相多铁材料在自然界中非常少见。Aurivillius结构的含铋层状氧化物(Bi4Bin-3Fen-3Ti3O3n+3)是一种可能的室温单相多铁材料。人们通过对材料的掺杂改性,使得材料磁性和铁电性都有所改善。尤其是Co元素的掺杂,使得这种材料在室温下同时存在铁电性和铁磁性。但是,之前的研究主要集中在陶瓷材料和多晶薄膜的研究,具有多铁性能的外延单晶薄膜是从来没有报道过的。由于多晶材料中可能存在杂相的影响,所以证明Aurivillius型氧化物的本征物理性能面临很大的挑战。由于单晶材料相比多晶材料在性能上可能有所提升并且可能产生新奇的物理现象,因此制备高质量的外延单晶薄膜很有必要。本论文的内容分为六个部分(六章):第一部分是对研究背景做了详细的介绍;第二部分是关于样品的制备及表征手段的介绍;第三部分是Bi6FeCoTi3O18外延单晶薄膜的生长和性能的表征;第四部分是金属缓冲层对Bi6FeCoTi3O18单晶薄膜的生长温度的影响;第五部分是关于Bi6FeCoTi3O18多铁薄膜界面科学方面的研究;第六部分是结论与展望。第一章中介绍了本论文研究领域的背景知识以及相关工作的研究现状。首先,介绍了多铁材料的概念、研究历史和发展状况,并且对磁电耦合效应、铁电与铁磁的互斥以及磁电耦合机制做了详细的叙述。其次,介绍了Aurivillius型铋层状氧化物材料的研究现状以及掺杂改性的研究情况,并且对Aurivillius型铋层状氧化物薄膜的最新进展进行了介绍。再次,介绍了金属氧化物界面处的静电边界条件和电荷屏蔽作用。接着,解释了Aurivillius型氧化物外延单晶薄膜制备上面临的巨大挑战。最后,介绍了本论文的研究内容。第二章是关于外延薄膜的制备及表征手段的介绍。首先简单介绍了Bi6FeCoTi3O18 (BFCTO)靶材的制备工艺。其次介绍了激光分子束外延(简称L-MBE)制备外延薄膜的基本原理,包括反射式高能电子衍射(RHEED)设备的使用方法和原理。L-MBE在制备复杂氧化物单晶薄膜方面具有很大的优势。接着,介绍了表征薄膜结构的手段,包括原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、扫描透射电子显微镜(STEM)。最后,介绍了物理性能的表征手段,其中包括综合物性测量系统(PPMS)、超导量子干涉器件(SQUID)。第三章介绍我们利用L-MBE设备在(LaAlO3)0.3(Sr2AlTa06)0.7 (LSAT)衬底上成功制备了高质量的BFCTO外延单晶薄膜。接着,我们通过改变生长温度和生长氧压对薄膜的生长条件做了系统的研究。研究发现薄膜的生长条件窗口非常的小。当温度过高或者氧压过低时,薄膜会出现层数的降低并且有杂相产生。然而,当温度过低或者氧压过高时,BFCTO薄膜的结晶性下降,表面粗糙。我们对高温下生长的薄膜的杂相进行了研究,发现杂相有很强的磁性。此外,我们对薄膜的铁电性能和铁磁性能做了表征,实验结果显示薄膜在室温下同时具备铁电性和铁磁性。第四章中我们分别在LSAT衬底和带有LaNiO3 (LNO)底电极的LSAT衬底上生长了BFCTO薄膜。我们发现两种界面上最优生长温度有很大的差异。随后,我们在最优条件附近生长了一系列薄膜,验证了温度差异的真实性。接着,我们设计了实验证实了生长温度差异与界面的导电性有关。最后我们对产生温度差异的原因进行了初步的讨论。第五章我们研究了界面对于薄膜质量的影响。我们分别在LNO/LSAT界面和LSAT界面生长了BFCTO薄膜,结果发现在LNO上生长的BFCTO薄膜的质量比较高。随后,我们利用扫描透射电镜对两种薄膜进行了表征,结果发现两种薄膜的界面存在很大差异,在LNO/LSAT上生长的薄膜的界面比较清晰和均一,而LSAT上生长的薄膜界面比较混乱,并且我们发现界面的差别主要是由LNO的电荷屏蔽效应引起的。最后,我们对在LNO上生长的BFCTO薄膜的铁磁性和铁电性进行了表征。第六章是我们对全文工作的总结以及对研究工作的展望。
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