Ca、Ba、Cu非磁性元素摻雜LiNbO3薄膜鐵電鐵磁性能的研究.pdf

1、多鐵性材料作為一種新型多功能材料，在電子器件的研究領域具有廣闊的應用前景，吸引了越來越多的研究者的關注。但是單相多鐵材料缺很罕見。因此人們考慮可以通過對鐵電材料進行摻雜來獲得同時具有鐵磁性和鐵電性的材料。LiNbO3是一種十分優(yōu)良的鐵電材料，因此可以將過渡金屬元素摻雜到鐵電材料LiNbO3薄膜中，從而使鐵電體中具有磁性。但是傳統(tǒng)的磁性3d過渡族元素摻雜LiNbO3容易形成鐵磁性的第二相及團簇。而非磁性元素摻雜LiNbO3可以很好的避免這

2、一弊端，是研究摻雜稀磁半導體的磁性機理和來源的理想體系。因此本論文利用射頻磁控濺射的方法在SiO2/Si(111)基底上分別制備了非磁性元素Ca、Ba、Cu摻雜的LiNbO3薄膜。利用X射線衍射儀(XRD)、X射線能譜儀(EDS)、X射線光電子能譜儀(XPS)和X射線吸收精細結(jié)構(gòu)(XAFS)技術(shù)分析了薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、組分含量、價態(tài)和吸收原子的局域結(jié)構(gòu)，采用VSM分析了薄膜的室溫鐵磁性，采用Agilent4294A阻抗分析儀和TF2000

3、鐵電分析儀測試了薄膜的鐵電性能，得到以下結(jié)果:
　　(1)研究了不同摻雜濃度及不同退火溫度對Ca摻雜LiNbO3薄膜晶體結(jié)構(gòu)、局域結(jié)構(gòu)、鐵磁性、鐵電性的影響。結(jié)果表明Ca摻雜LiNbO3薄膜中沒有Ca團簇和相關的氧化物第二相存在，Ca摻雜LiNbO3薄膜中的Ca以Ca2+形式存在。所有的Ca摻雜LiNbO3薄膜均具有明顯的室溫鐵磁性，樣品的磁性隨著Ca摻雜濃度的增加而增大，當Ca的摻雜量為3at.％時，飽和磁化強度達到最大值4.8

4、emu/cm3。相同摻雜濃度的薄膜經(jīng)過不同溫度退火后，薄膜的飽和磁化強度隨著退火溫度的升高而減小。由于薄膜的晶體結(jié)構(gòu)隨著退火溫度的升高而完善，導致氧空位濃度隨著退火溫度的升高而降低，研究認為薄膜中的氧空位是影響薄膜磁性的主要因素。Ca摻雜LiNbO3薄膜的介電常數(shù)和介電損耗都隨著摻雜濃度的升高而減小，其鐵電居里溫度(675K)比純LiNbO3薄膜的(733K)低。
　　(2)研究了不同摻雜濃度的Ba對薄膜晶體結(jié)構(gòu)、局域結(jié)構(gòu)、鐵磁性

5、、鐵電性能的影響。研究結(jié)果表明Ba摻雜LiNbO3薄膜中沒有Ba團簇和相關的第二相氧化物存在，Ba摻雜LiNbO3薄膜中的Ba以Ba2+形式存在。摻雜LiNbO3薄膜中Ba的L3邊的XANES譜說明Ba在薄膜中是以單一價態(tài)的離子態(tài)存在的。4.1at.％Ba摻雜LiNbO3薄膜的BaL3邊XANES實驗譜和計算譜線對比表明，Ba在LiNbO3晶格中在占據(jù)Nb位的同時引入一個氧空位。所有的Ba摻雜LiNbO3薄膜都具有室溫鐵磁性，飽和磁化強

6、度隨著Ba摻雜濃度的增加而增大，當摻雜量達到6.2at.％時，其飽和磁化強度為最大值2.2emu/cm3。薄膜室溫鐵磁性來源符合d0-鐵磁性模型。Ba摻雜LiNbO3薄膜的介電常數(shù)和介電損耗都隨著摻雜濃度的升高而減小，鐵電居里溫度(650K)比純LiNbO3薄膜的(733K)低。
　　(3)研究了不同摻雜濃度的Cu對薄膜晶體結(jié)構(gòu)、局域結(jié)構(gòu)、鐵磁性、鐵電性能的影響。研究結(jié)果表明Cu在摻雜的LiNbO3薄膜中是以Cu2+形式存在的，C

7、u摻雜的薄膜中沒有Cu金屬團簇和Cu氧化物存在。摻雜元素Cu的K邊XANES實驗譜和第一性原理計算譜線對比后發(fā)現(xiàn)，Cu在-LiNbO3晶格占據(jù)的是Nb位同時引入了氧空位。因為Cu離子的價態(tài)與Nb離子的不同，因此Cu離子是取代Nb位后導致氧空位形成來保持晶體中的電荷平衡。所有的Cu摻雜LiNbO3薄膜都有室溫鐵磁性，飽和磁化強度隨著Cu摻雜濃度的增加而增大，當摻雜量為3.2at.％時，其飽和磁化強度達到最大值2.4emu/cm3。薄膜室溫