钙钛矿氧化物铁磁、铁电薄膜的磁性、输运及铁电特性研究

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sun0603
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本文利用脉冲激光沉积法(PLD)制备了SrRuO3、BaTiO3/SrRuO3、La0.7Sr0.3MnO3/BaTiO3/SrRuO3薄膜,研究了这些薄膜的外延取向、界面结构和薄膜的磁、输运、铁电和磁电等特性。利用溶胶-凝胶法制备了PbZr0.52Ti0.48O3(PZT)薄膜并通过微波快速晶化,研究了PZT薄膜的结构变化以及电学性能。最后,研究了退火温度对溶胶-凝胶法制备的CoFe2O4薄膜的结构和磁性的影响。   研究了沉积温度对沉积在(001)SrTiO3上的SrRuO3(SRO)薄膜的磁性和输运行为的影响。发现750℃沉积得到的SrRuO3薄膜在5-310 K测试温度范围内表现为金属导电。随着沉积温度的降低(如700℃和650℃),薄膜中发生了金属-绝缘体转变。而600℃沉积的SrRuO3薄膜则在整个测试温度范围内都表现为绝缘体导电行为。相应地,随着沉积温度的降低,薄膜的垂直磁各向异性也逐渐减弱。随着沉积温度的升高,薄膜垂直膜面的晶格常数逐渐减少,表明薄膜中存在的应力逐渐减少。结合晶格常数的变化,发现应力的变化导致了薄膜上述磁性和输运性能的变化。   研究了在(001)SrTiO3(STO),(001)LaAlO3(LAO)和(001)MgO基片上沉积的SrRuO3薄膜的输运特性和磁性。发现所有薄膜都表现为金属导电,但只有SrTiO3基片上生长的SrRuO3薄膜表现为垂直磁各向异性,而在MgO、LaAlO3基片上生长的SrRuO3薄膜表现为磁各向同性。AFM和晶格常数结果表明SrTiO3上沉积的薄膜处于应力状态,表面光滑;而MgO、LaAlO3上沉积得到的SrRuO3薄膜的应力得到释放,但表面形貌则差别较大,LaAlO3上沉积的薄膜表面光滑,MgO上沉积的薄膜则呈岛状结构。   采用预先沉积了SRO电极的SrTiO3基片在30 Pa较高氧压下制备了c轴取向的BaTiO3(BTO)薄膜,同时避免了漏电。BaTiO3薄膜的电容具有良好的电压调谐率。室温下,BaTiO3薄膜的饱和极化为14.2μC/cm2,剩余极化为7.3μC/cm2,矫顽场为29.5 kV/cm。   在La0.7Sr0.3MnO3/BaTiO3/SrRuO3复合薄膜中,La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)薄膜是沿着BaTiO3的岛状结构往上生长的,薄膜的均方根粗糙度为4.82 nm。研究发现BaTiO3薄膜具有良好的铁电性,La0.7Sr0.3MnO3薄膜表现出典型的铁磁性。施加电压极化BaTiO3,可以使La0.7Sr0.3MnO3薄膜的电阻率升高。280 K下,在用4 V电压极化BaTiO3后,La0.7Sr0.3MnO3电阻率的变化率为0.17%左右。   研究对比了普通热退火、快速热退火和微波(2.45 GHz单模式微波的磁场)等三种处理方法对溶胶-凝胶法得到的PZT薄膜的结构和性能的影响。快速微波处理和快速热退火处理得到PZT薄膜的性能远好于普通热退火处理得到的PZT薄膜,剩余极化是普通热退火处理所得薄膜的2倍左右,快速微波处理得到的PZT薄膜的剩余极化为24μC/cm2,介电常数为590。   研究了微波快速晶化过程中PbZr0.52Ti0.48O3薄膜的结晶过程和结构变化以及所得薄膜的电学性能。550℃微波处理60 s的PbZr0.52Ti0.48O3薄膜呈单一的烧绿石相,600℃时薄膜为烧绿石相和钙钛矿相两相共存,650℃-750℃微波处理60 s薄膜呈单一的钙钛矿相。在650℃微波处理的时间少于60 s时,薄膜为烧绿石相和钙钛矿相共存;即使在处理时间短至2 s,薄膜中仍然存在少量的钙钛矿相。钙钛矿圆形晶粒在PbZr0.52Ti0.48O3与Pt的界面处形核并快速生长至薄膜表面,同时伴随着横向生长,当这些晶粒生长至彼此接触时就形成了最终的棱形柱状晶结构。微波处理所得薄膜的电学性能和其组织结构相对应。   研究了退火温度对CoFe2O4(CFO)薄膜的结构和磁性的影响,发现CoFe2O4薄膜在600℃及以上温度退火后出现了化学计量比的尖晶石相。随着退火温度的升高,CoFe2O4柱状晶的晶粒大小从13 nm增大到50 nm。饱和磁化强度随着退火温度的升高而从200 emu/cm3逐渐增加到283 emu/cm3。750℃退火得到的CoFe2O4薄膜呈现垂直磁各向异性,在CoFe2O4薄膜中也观察到团簇状结构的磁畴,磁畴尺寸约为150 nm。
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