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多铁性(multiferroic)材料中铁电性有序态和铁磁性有序态(或反铁磁性有序态)共存,且彼此相互关联,是一种新型多功能材料,具有广泛的应用前景。具有ABO3钙钛矿结构的BiFeO3系列材料是一种典型的多铁性材料,同时具有铁电有序态(Tc=830℃)和反铁磁有序态(TN=370℃),有序态的转变温度均在室温以上,是当前多铁性材料研究的热点。应力对BFO薄膜的性质,诸如晶格常数、压电特性和电畴结构等起着重要的调制作用,通过在具有不同晶格常数的衬底上制备BFO或改变BFO薄膜的厚度,可以调控BFO薄膜中的应力,从而研究应力对BFO薄膜性质的影响。与:BFO体系相关的交换偏置效应,涉及到BFO中的磁性、铁电性和磁电耦合等多种性质相互作用,是目前BFO非常重要的研究方向。基于以上考虑,本文针对BFO系列材料中应力作用和交换偏置效应进行了系统的研究,主要成果如下:
1.利用激光脉冲技术(PLD)在NdGaO3(001)、SrTiO3(001)和(110)衬底上制备了系列的BFO(BLFO)薄膜,薄膜的铁电性可以保持到厚度为6nm;Bi0.9La0.1FeO3(BLFO)薄膜的眦曲线具有良好的矩形形状。
2.利用压电力响应显微镜(PFM)系统研究了(001)取向的BiFeO3薄膜压电特性随薄膜厚度(从1nm到150nm)的变化。研究发现随着薄膜厚度的减小,垂直膜面压电系数d33单调减小,而垂直膜面的晶格常数(c)单调增加。在薄膜厚度变化的过程中,晶格应变,衬底对薄膜的夹持效应和退极化效应都对薄膜的压电性质产生影响。
3.在NGO(001)衬底上制备了表面平整的纯相BFO薄膜,通过改变样品和探针悬臂的夹角,利用压电力响应显微镜系统研究了不同晶向的BFO薄膜的垂直膜面电畴(OP)和膜面内电畴(IP),发现BFO具有沿其钙钛矿晶格结构的体对角线成反向排列电畴结构,对样品施加沿[001]方向的脉冲电压,可以使电极化方向翻转,由最初的180°畴结构变为109°畴结构。
4.系统研究了(110)取向的BLFO(600nm)/La0.5Ca0.5MnO3(0-30nm)双层薄膜结构的交换偏置效应。研究发现LCMO薄膜呈弱铁磁性,当LCMO层比较薄时,薄膜的整体磁化强度主要来自于BLFO层,在温度为5K的情况下,tLCMO为5nm时,BLFO与LCMO的面磁化强度的比为1:0.07;tLCMO为30nm时,这一比值变为1:0.82。这一体系中存在非常可观的交换偏置效应,在温度为10K的情况下,tLCMO为0时的交换偏置值约为400e,而tLCMO为30nm时的交换偏置值约为260 Oe,并且交换偏置效应随温度的升高急剧减小。交换偏置效应主要存在于样品中不同的磁性相之间,即铁磁性相、类自旋玻璃态相和反铁磁相,前两相主要存在于BLFO样品的晶界处。