BiFeO3薄膜的制备及其铁性研究.pdf

河北大学
硕士学位论文
BiFeO3薄膜的制备及其铁性研究学位
姓名:马继奎
申请学位级别:硕士
专业:等离子体物理
指导教师:赵庆勋
2011-05
摘要
摘要
多铁性材料是同时具有铁电性、铁磁性、铁弹性中至少两种特性的多功能材料。铁
酸铋(BiFeO3)是目前少数能在室温下同时具有铁电性和反铁磁性的一种多铁性铁电材
料,在研制新型的存储器、集成电路、磁传感器以及自旋电子器件等方面有着广泛的应
用前景。本论文对BiFeO3铁电薄膜材料进行深入的研究。利用磁控溅射方法(ron
Sputtering)制备了BiFeO3薄膜,应用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、铁
电测试仪(Precision LC unit)和振动样品磁强计(VSM)研究薄膜样品的微观结构、结
晶状况、表面形貌以及铁电性和铁磁性能。论文的主要内容如下:
1. 采用磁控溅射法在Pt/Ti/SiO2/Si(111)基片上制备了多晶BiFeO3薄膜,探索薄膜制
备过程中的工艺参数,分析沉积气压、退火温度对BiFeO3薄膜结构的影响,制备出性能
优异的BiFeO3薄膜。研究Pt/BFO/Pt电容器的铁电性能、漏电流密度等特性,并探究其导
电机理。
2. 在SrTiO3(STO)(001)衬底上成功生长了外延BiFeO3薄膜,讨论生长温度对BiFeO3
结构的影响。综合考虑工艺条件对BiFeO3薄膜铁电性能的影响,归纳出制备BiFeO3薄膜
最佳的工艺条件。对不同上电极材料的BiFeO3薄膜电容器漏电流密度和铁电性能进行分
析,主要对SrRuO3/BiFeO3/SrRuO3异质结的电学特性、漏电流及其导电机理进行详细研
究。
3. , 薄膜结构和性能
的影响,实验发现Mn 的掺杂能有效的提高BiFeO3 薄膜的剩余极化强度,
SrRuO3/、抗疲劳特性和保持特性。
4. 采用第一性原理对铁电材料Bi4Ti3O12经历氮氢混合气氛退火后铁电性能退化机
制进行理论研究。分析体系总能量、电子云密度分布以及电子结构的总能态密度的变化。
结果表明,氢的引入阻碍了Bi4Ti3O12从四方顺电相到正交铁电相的相变,同时造成
Bi4Ti3O12晶体的导电性能增强,并推断其为含氢气氛退火过程中Bi4Ti3O12铁电性能退化
的主要原因。

关键词 BiFeO3 磁控溅射多铁性 Bi4Ti3O12
I
Abstract
Abstract
Multiferroics are multifunctional materials which exhibits coexistence of at least two of
the ferroelectricity, ism and ferroelasticity. BiFeO3(BFO) is the only candidate of
multiferroic materials which can be used at room temperature, possesses both ferroelectricity
and ism. It provides potential applications in new type of nonvolatile Ferroelectric
random access memories(FeRAM), integrated circuits, transducer, modulators, spin electronic
and driver system. Therefore, this paper focused on the research of BFO thin film.
Polycrystalline and epitaxial BFO thin films have been essfully prepared by rf
ron sputtering. The microstructure and morphology of BFO thin films as well as the
ferroelectric and ic properties of the capacitors have been investigated by X-ray
diffraction (XRD), atomic force microsco