铁酸铋薄膜的电性能与畴结构研究

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多铁性材料是指材料由于结构有序而同时具有铁电性(反铁电性)、铁磁性(反铁磁性)或铁弹性的两者或两者以上性能的材料。这种磁和电的相互控制使得多铁性材料具有广阔的应用前景。铁酸铋(BiFeO3)是目前发现的唯一的在室温下仍然具有多铁性的材料。  本论文分别采用溶胶-凝胶法(sol-gel)和脉冲激光沉积(PLD)制备了铁酸铋薄膜,研究了制备工艺(退火温度、退火时间、衬底温度)对薄膜的电性能和畴结构的影响,并分析了畴结构与薄膜导电机理之间的关系。主要结果如下:  本文采用溶胶-凝胶法(sol-gel)成功地制备了铁酸铋薄膜。X射线衍射(XRD)结果表明退火温度会影响薄膜的物相,在500℃~600℃范围内退火60min能够得到比较致密的单一相BiFeO3薄膜,漏电流随退火温度的升高而增加。在500℃、600℃和650℃退火的薄膜极化向上和向下的电畴面积相当,畴壁附近聚集的电子没有形成有效的内置电场,故对薄膜的导电机理没有贡献;而在550℃退火的薄膜,畴壁附近聚集的电荷形成了有效的内置电场,使其导电方式由欧姆接触转变为空间电荷限制电流(SCLC)。  退火时间对薄膜结构的影响结果表明:在500℃条件下,退火20min和40min得到的薄膜均有杂相,而退火60min的薄膜为单一相的铁酸铋。退火60min的薄膜漏电流最小。对于退火20min和40min的薄膜,由于薄膜畴壁富集的电子形成了有效的内置电场,影响了膜内电子的运动,使薄膜的导电方式由欧姆接触转变为SCLC。  本文采用固相法制备Bi2O3过量10mol%的铁酸铋陶瓷靶材,通过XRD测试分析了靶材的结构。在制备靶材后,采用脉冲激光沉积(PLD)制备了BiFeO3薄膜。研究表明靶材的烧结工艺和衬底温度都会影响薄膜的物相和取向,进而影响其漏电流和铁电性能。低电场时,以欧姆接触为主要的导电方式;当电场增加时,由于畴壁处聚集的电子在膜内形成了内置电场,影响了电荷的运动,因此,薄膜的导电方式转变为SCLC。薄膜的电性能得到改善,能观察到电滞回线。
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