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铁电/铁磁复合磁电材料是由铁电相材料和铁磁相材料复合在一起,能够同时显示出铁电性能和铁磁性能的多功能材料。铁电相材料中Bi3.25La0.75Ti3O12(BLT)由于具有较大的剩余极化值、较低的制备温度和良好的抗疲劳特性等优点,在铁电存储器方面存在广泛的应用价值,得到了人们的高度关注。铁磁相材料中Fe3O4薄膜是一种半金属材料,在费米面附近有很高的自旋极化率和远高于室温的居里温度(858K)。Fe3O4这种特殊的性能使其在室温应用的自旋电子器件方面有着巨大的应用潜力,得到广泛的关注和研究。研究由这两种性能优异的材料组成的磁电复合薄膜的制备工艺和性能是一项有意义的工作。本文以靶材的制备、BLT和Fe3O4单层薄膜的生长、复合薄膜的集成结构和顺序为主要研究对象,主要研究内容和结论如下:
1.BLT靶材和Fe2O3靶材制备
采用固相反应法制备了BLT靶材,XRD结构表征显示BLT靶材为随机取向生长的多晶陶瓷,具有层状钙钛矿结构。用α-Fe2O3粉末压制了Fe2O3靶材,XRD显示结晶良好。
2.单层BLT薄膜和单层Fe3O4薄膜的制备及性能
采用脉冲激光沉积方法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上成功制备了BLT单层薄膜,X射线衍射(XRD)结构表征显示BLT薄膜为(117)取向的铋系层状钙钛矿结构,结晶良好;原子力显微镜观测了薄膜的表面晶粒清晰可见,尺寸均匀。薄膜的电滞回线测量表明,薄膜具有较好的铁电性能,在17V的测试电压下剩余极化强度(2Pr)达到40.4μC/cm2,漏电流测试表明薄膜具有良好的绝缘性。
采用脉冲激光沉积方法在Si衬底上制备了(111)取向的Fe3O4单层薄膜,XRD结构表征显示薄膜是纯相的,不含有其他铁的氧化物等杂相。薄膜磁性测量表明薄膜饱和磁化强度(Ms)为492emu/cm3,分子磁矩约为3.925μB,接近体材料的理论值。
3.双层薄膜及三层薄膜的制备及性能
采用脉冲激光沉积方法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上分别制备了BLT/Fe3O4薄膜、反顺序的Fe3O4/BLT薄膜和三明治结构的BLT/Fe3O4/BLT薄膜,XRD测量表明反顺序的Fe3O4/BLT复合薄膜中Fe3O4相在制备过程中被氧化,磁性很弱。其余两种复合薄膜都存在明显的Fe3O4和BLT两相;铁磁共振结果表明单层Fe3O4薄膜和BLT/Fe3O4复合薄膜的表面磁各向异性都表现为易平面,但复合薄膜比单层薄膜有更大的趋于易垂直的倾向性;比较单层Fe3O4薄膜、BLT/Fe3O4薄膜和BLT/Fe3O4/BLT薄膜的磁性参数可以得到以下结论:随着层数的增加,饱和磁化强度(Ms)呈现下降的趋势,矫顽力变大,这很可能是界面的影响,层数增加,界面增多。从数据变化可见,对于我们的复合薄膜,Fe3O4的顶层BLT覆盖层比Fe3O4底层BLT缓冲层影响更大。对于BLT/Fe3O4薄膜和BLT/Fe3O4/BLT薄膜,在其电性和磁电性测量中如何降低其漏电是需要进一步研究的问题。