自極化BiFeO3基薄膜的界面調控.pdf

1、BiFeO3(BFO)，作為唯一一種在室溫下同時具有鐵電性能和鐵磁性能的材料，吸引了研究者們較大的研究興趣，被認為是最有希望替代Pb(Zrx，Ti1-x)O3的綠色環(huán)保型鐵電材料。由于BFO具有非常高的居里溫度，使得其在壓電微機電系統(tǒng)以及紅外熱釋電成像器件等方面具有廣闊的應用前景。
　　但是，具有高居里點的鐵電薄膜應用于熱釋電器件時，往往需要對其進行人工預極化處理。與鉛基鐵電薄膜相比，由于BFO薄膜具有較高的矯頑場和漏電流，導致其

2、難于極化，那么這勢必要消耗更多的能量。如果BFO基薄膜制備后就具有自極化，便可以省去人工極化這一步驟，從而減少生產成本，提高生產效率。以往研究發(fā)現，鐵電薄膜的自極化是因為薄膜內存在內電場，而內電場來源于多種因素，如薄膜內的應變梯度、缺陷、薄膜與電極界面的接觸電勢等。根據Ren等人的研究發(fā)現，鐵電薄膜內的缺陷偶極子在薄膜老化過程中會沿著自發(fā)極化的方向定向排列。研究表明，在BFO基薄膜中缺陷偶極子是自極化產生的主要來源。
　　對于BF

3、O薄膜而言，高的居里溫度以及較低的沉積溫度使其在制備過程中就開始老化。如果制備的BFO基薄膜具有高度自極化，則老化將具有穩(wěn)定薄膜初始極化狀態(tài)的作用;而如果薄膜具有部分自極化，老化對薄膜自極化的穩(wěn)定作用則會使薄膜很難被徹底人工極化，即使薄膜的疇能在高電場下發(fā)生翻轉，薄膜中缺陷對也會使其很容易反轉，從而使薄膜的宏觀壓電和熱釋電性能穩(wěn)定性變差。鐵電疇反轉主要經歷反向疇成核、縱向長大以及橫向長大的過程。反向疇的成核是從薄膜的上下表面開始的，一旦

4、成核，縱向和橫向長大過程便很難控制，會在非常短的時間內完成。所以，抑制鐵電疇的backswitching的關鍵在于抑制其成核。
　　本論文采用金屬有機物分解法結合層層退火工藝制備了具有自極化的BFO基薄膜，系統(tǒng)研究了自極化Bi1.1Fe0.95Mn0.05O3(BFMO)薄膜的鐵電性能，并通過界面調控抑制了薄膜的反向疇成核，大幅提升了薄膜的鐵電及壓電性能。工作主要從以下幾個方面展開:
　　(1)在Pt(111)/TiO2/S

5、iO2/Si襯底上制備了具有(012)-擇優(yōu)取向的BFMO薄膜，制備的薄膜具有穩(wěn)定的自極化。系統(tǒng)地研究了自極化BFMO薄膜的鐵電性能，并且對低電壓下電滯回線的缺口給出了新的解釋。此外，通過研究BFMO薄膜的老化揭示了缺陷對對自極化的穩(wěn)定作用。
　　(2)制備了不同W6+摻雜濃度的BFO(BFWxO)薄膜層，通過研究不同濃度BFWxO薄膜層對主體BFMO薄膜結構、鐵電性能的影響，最終選取了W6+的最佳摻雜濃度(1％)。
　　(