不同基片对BiFeO3薄膜的结构及其表面形貌的影响

长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 23 页 第 1 页装订线第一章 绪论1.1 多铁性材料与磁电效应铁电材料是一类电介质功能材料，在传感、驱动、信息存储等领域占据重要地位，形成“ 铁电物理学”等学科。磁性材料更是涉及面广，特别是在信息存储中仍占主导地位，磁存储技术的发展产生了“自旋电子学”等新兴学科。通常，铁电材料是电绝缘的，所以过渡金属中 d 壳层应为 d0，而磁性材料是导电的，所以过渡金属的 d壳层应为 dn，因此，这二者本身是矛盾的。因而两类材料通常是不兼容的分属两个不同的独立领域。多铁性材料则是将这两类不同的特性集于一身，呈现铁电、(反)铁磁、铁弹等两种或两种以上铁性有序共存，更为重要的是，由于多种序参量之间的相互耦合作用会产生新的效应，例如，铁电/压电与磁性耦合产生磁电效应，即材料在外磁场作用下产生电极化，或者外电场调控磁性能，如图 1.1 所示。多铁性(磁电)材料是一种新型多功能材料，不但能用于单一铁性材料的应用领域，更在新型磁-电传感器件、自旋电子器件、新型信息随机存储器件等领域展现出巨大的应用前景；另一方面，多铁性磁电耦合的物理内涵涉及到电荷、自旋、轨道、晶格等凝聚态物理多个领域范畴；因而， 已成为国际上一个新的前沿研究领域 1,2。从学科内涵看，多铁性材料将传统上缺乏内禀联系的铁电与磁性两大类材料与电子、 信息和能源产业密切联系的学科领域有机结合起来，并赋予其新的学科内容。图 1.1 铁电与铁磁相与调控长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 23 页 第 2 页装订线1.2 发展现状与主要趋势现在对铁电和铁磁共存的多铁性材料是研究最热门的，这种材料不仅同时具有铁电性和铁磁性，而且还存在着这两种性能的耦合，也就是说可由电场诱导产生磁极化，同时磁场也可以诱发电极化，即磁电偶合效应可以实现多功能器件的集成化，从而促进器件的微型化。多铁性材料的存在不仅开阔了基础科学的发展，同时这类具有多功能的铁性材料为新一代的器件设计提供了新的材料准备，例如信息存储器、换能器、自旋电子器件等。这类材料在材料科学及凝聚态物理领域有非常广的研究前景，研究题目比较丰富，随着更一步的研究，很多新颖的应用将会被人们发现，也就是说多铁性材料在未来通信、计算机、航空航天等领域有着不可估量的重要位置。近十年以来，随着材料制备技术、表征手段和理论计算的进步，以及现代信息社会对新型信息功能器件的迫切需求，多铁性材料及其器件的研究迎来了前所未有的快速发展。国际著名的 Nature，Science 等期刊相继报道了多铁性材料中丰富的物理内涵和新颖的实验现象，在世界范围内掀起对多铁性的极大关注，以论文形式发表的研究成果呈指数性增长。2005 年以来，在素有材料研究领域“风向标”之称的美国材料研究学会(MRS)系列会议上，每年大会都将 “多铁性与磁电”列为大会的分会之一，吸引了众多研究者参与和关注。2007 年底， Science“Areas To Watch”更是将多铁性材料列为未来世界范围内最值得关注七大前沿热点研究领域之一(欧洲大型强子对撞机、微 RNA、人造微生物、古基因组学、多铁性、人类微生物组、大脑神经回路) ，这是近十多年来整个材料领域的唯一入选项。目前， 美国、德国、法国、 日本等国家纷纷投入大量资源开展有关多铁性材料的研究，我国的多铁性材料研究也在蓬勃发展，在部分研究领域处于国际领先地位。多铁性磁电材料的研究范围主要包括:1)磁功能材料科学(铁电材料、磁性材料、多铁性磁电材料)；2)凝聚态物理学(强关联凝聚态体系、自旋-轨 道-电荷-晶格相互作用) ；3)自旋电子学(自旋电子学、磁电子学、多铁性磁电子学)；4)电子器件物理与技术。1.3 多铁性材料的性能铁电性：首先发现铁电性的是法国人有铁电性的物质被称为铁电体。铁电体具有自发极化，长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 23 页 第 3 页装订线且其矢量的取向随着外电场的改变而改变。铁电体的晶体结构影响着铁电体的自发极化的产生，两者是密切相关的。主要的机制有：氧键中进行有序化运动的质子、具有择优分布特点的氧氧根集团、氧八面体中偏离中心运动的离子以及具有极性分布的其他离子集团等等。对于铁电薄膜而言，具有铁电性就一定具有介电性和压电性。介电性：当电容器的介质为某种比较均匀的电介质时，将其置于两极中间，在电介质极化的作用下，电容器的电容量会比真空为介质时的电容量增加很多倍，这就是材料的介电性。材料的介电性能包括介电常数、介电损耗、介电温谱和介电频谱等。介电常数是指以电极化的方式传递、存储或记录电的作用。介电损耗是指电介质在电场作用下存在电能的损耗。介电温谱是指介电常数随温度的变化。介电频谱是指介电常数随外界频率的变化。压电性：当不存在对称中心的晶体受到外力作用时，晶体在发生形变的同时极化状态也会随着发生变化，在其内部建立电场，介质在机械力的作用下而发生极化的现象被称为压电效应。产生压电效应的前提条件是晶体结构上的不对称。压电效应产生的原因是，晶体在外力的作用下产生形变，使得正负电荷的中心发生分离，从而产生了偶极矩，因此显现出了一定的极性。所以对于种点群来说，只有 20 种可能具有压电性。铁磁性：材料的磁性来自于原子内部电子产生的磁矩，而磁矩则是由电子磁矩产生。电子存在着绕原子核旋转的运动、自身旋转的运动和外加电场引起的运动，所以电子磁矩则是由电子的轨道磁矩；（电子的自旋磁矩；（电子的诱发磁矩三部分组成。按照波尔的原子轨道理论，原子内的电子是围绕着原子核在一定的轨道上运动的。电子沿轨道的运动，相当于一个圆电流，进而产生了轨道磁矩。电子自旋磁矩是由电子电荷的自旋运动产生的。如图 2 所示。长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 23 页 第 4 页装订线+Magnetic momentElectronAtomic nucleusOrbital轨 道 磁 矩ElectronMagnetic momentDirection of spinSpin自 旋 磁 矩图 1.2 磁性的来源在外磁场的作用下，自旋磁矩只能与轨道磁矩平行或者是反平行。在晶体中，由于晶格场影响着电子的轨道磁矩，而且电子轨道磁矩的方向是变化的，所以要想形成一个联合的磁矩是不可能的，导致对外的磁矩为零。所以对于很多磁性材料来说，磁性主要来源于电子的自旋磁矩。但是当原子中的电子壳层被完全填满，电子的自旋磁矩和总轨道磁矩就会相互抵消，此时对材料的磁性就没有了任何的贡献。电子和原子磁偶极子对外加磁场的响应决定了材料的磁性种类。表 1 为不同磁性体中磁矩排列的方式。当原子具有满电子壳层结构时，电子轨道磁矩和自旋磁矩都为零，而且在外磁场的作用下，会感生出一个与外磁场方向相反的磁矩，这便为抗磁性。根据磁偶极子之间的相互作用，磁性又分为顺磁性；铁磁性；反铁磁性和铁氧体磁性。表 1 不同磁性的不同磁矩排列分类 原子磁矩 M-H 特征 1/-T 特征 物质实例铁磁性Fe、 Co、Ni、Gd、 Tb、Dy 等元素及其合金、金属间化合物等；FeSi、NiFe 、CoFe、SmCo、NdFeB、CoCr、CoPt 等。强磁性亚铁磁性各种铁氧体材料，（Fe、Ni、Co 氧化物）；Fe、Co 等与重稀土类金属形成的金属间化合物等。长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 23 页 第 5 页装订线顺磁性Os、Pt、Rh、Pd 等；Ia族（Li、Na、K 等）；IIa族（Be、Mg 、Ca 等）；NaCl、KCl的 F 中心。弱磁性反铁磁性Cr、Mn、Nd、Sm、Eu 等3d 过渡元素或稀土元素；还有MnO、MnF2等合金、化合物等。抗磁性Cu、Ag 、Au；C、Si 、Ge； N、P、As、Sb 、 Bi；S、Te、Se；F、 Cl、Br、I；He、Ne、Ar、Kr、Xe、 Rn。顺磁性：材料有一个固有的原子磁矩，但是各个原子磁矩的方向混乱，宏观表现为没有磁性，在磁化磁场的作用下，原子磁矩会感应出一个与外磁性方向一致的磁化强度，但是数值很小，仅显示出比较弱的磁性。铁磁性材料的磁矩相互偶合，即使在没有外加磁性的情况下，也可以呈现出同一个方向一致的排列，具有很大的磁化系数，表现出较强的磁性。反铁磁性的磁矩呈反向平行排列，而且每个磁矩的大小相等、方向相反，因此反铁磁性的宏观磁性等于零，只有在很强的外磁场作用下才能显示出微弱的磁性。铁氧体磁性的磁矩像反铁磁性的磁矩一样呈现出反向平行排列，但是每个磁矩的大小是不相等的，进而产生了净磁矩，表现出强的磁性。1.4 多铁性材料的研究进展多铁性材料同时具有铁电、铁磁和铁弹性能中的两种或者三种，弥补了单一性能材料的局限性，而且铁电性和铁磁性的共存使得这类材料具有了重要的磁电偶合长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 23 页 第 6 页装订线效应。这类材料是伴随着磁学、铁电学等物理学理论的发展而被发现的。20 世纪 20年代，A. Boguslavsky 预测到了双极子物质的存在，即同时具有电极子和磁极子的物质。到了 1960 年，Astrov，Rado 等人发现具有磁电偶合 Cr2O3 效应。20 世纪 70 年代，前苏联的科学家发现在钙钛矿结构的化合物中同时存在自发的自旋磁化和电极化，而且铁电性和铁磁性的同时存在不相互抵触，电子自旋有序的交换作用是磁有序的主要来源，而晶格中电荷密度的重新分布导致了铁电有序；除此之外，亚晶格间的有序电矩和有序磁矩也相互耦合产生磁电效应。自此之后，人们就开始了对多铁性材料系统而广泛的研究。多铁性材料可分为单相多铁材料和多相多铁材料复合多铁材料两种。长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 23 页 第 7 页装订线2 多铁性材料磁性的控制与掌握2.1 控制磁性与热能多铁性材料结合多个参数，提供了一个令人兴奋的耦合现象方式，如电子和磁耦合现象秩序。通过外延生长和异质外延，研究人员增加高质量的薄膜和多铁性BiFeO3 的异质结构。铁电和反铁磁性的域结构和耦合这两个秩序之间有关 BiFeO3的参数正在研究当中。我们描述我们对于电气控制系统的结构丶属性和新功能之间联系的理解（包括磁性） ，使用 BiFeO3 作为模型的电气控制系统。磁电效应的材料提供了一个很好的机会利用电场来控制铁磁性。磁电耦合是指电和磁之间的耦合参数理论上假设为 1，对于利用这些性能去实现设备架构它有着强烈的兴趣。单相多铁性材料在外界条件当中显示同时自发磁化和极化的现象，仍像大多数系统(就如同水锰矿一样 )只有在温度低于 9 或 10 度的条件下才能够显示出来。另外，热能可以被合成为一个复合的系统，例如作为一个由磁致伸缩和压电材料所组成的复合型的产品属性 11,12。因此，关于继续寻找新的单相和复合多铁性材料表现出对温度的高要求。一个多铁性材料，然而，在振兴大型铁电极化后报告结合有趣的磁性BiFeO3(铁酸铋 )的领域起到了至关重要的作用。大铁电极化 BFO 外延的薄膜与弱极化现象的观察相比是鲜明的在早期阶段，但在与理论结果中协调的比较不错。研究的中心 BFO 是一个室温多铁性材料高铁电居里温度和反铁磁性很高的奈尔温度。因此它提供了激动人心的潜在的空间温度集成设备，如果有秩序之间的耦合参数，就像在低温条件下的水锰矿状况一样。有鉴于此，我们探索 BFO 系统的结构和性能之间的相互作用。2.2 BFO 的结构和性能铁电状态是通过 Bi 离子相对于 FeO6 正八面体发生一个大的位移而实现的。产生这种结构的结果是由两个重要的因素引起的。首先，铁电极化是由沿着 晶向形成八个可能的极化变异，对应于四个异型结构导致的。第二，BFO 的反铁磁性的 G 类型秩序，和铁磁矩是一致的。铁磁性和反铁磁性之间相邻。此外，BFO 具有旋转摆线结构和择优取向的反长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 23 页 第 8 页装订线铁磁性对齐旋转，垂直于铁电极化方向与六个等效轴内如图 1.3 所示。图 1.3 BFO 的晶体结构及电极化方向示意图反铁磁性耦合铁电极化。BFO 薄膜最近的研究显示出一个大铁电极化，以及一个小净磁化的存在是由 Dzyaloshinskii-Moriya 类型造成的倾斜的反铁磁性的子格。 2.3 研究 BFO 的多铁性质：探索这种材料系统，研究个体是至关重要的秩序参数。这包括铁电和调查磁特性，以及这种秩序之间的耦合参数。在过去，BFO 的铁电性质还不清楚，尤其是早期发表的报告显示出相当低的自发偏振。然而，随着 BFO 的外延薄膜的生长，它已经清楚地证明，BFO 确实有一个大铁电极化。与此同时，两个限制因素高泄漏问题水流和电触点两个问题的解决仍然困难重重。最近有关于 BFO 薄膜在 DyScO3(DSO)基板上生长的研究成果已经证明能够实现理想铁电行为。锋利的铁电循环甚至可以在低频率下获得并测量显示出低泄漏水平。长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 23 页 第 9 页装订线第二章 样品的制备与表征2.1 磁控溅射法2.1.1 简单介绍磁控溅射仪的工作原理利用磁控溅射的方法制备 BiFeO3 薄膜，其工作原理主要是由于电子在受到电场作用的同时，会产生很大的加速度，从而高速飞向基片，这样一来也就不可避免的与氩离原发生碰撞。导致磁控溅射仪中会产生很多的氩离子和电子，相应的电子会直接飞向基片，而氩离子便会撞击靶材，接着分离出靶材原子，沉积在基片上形成薄膜。图 2.1 磁控溅射原理图磁控溅射是靶材与入射粒相互碰撞的过程，入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，与靶材原子的碰撞，导致一部分动量会相应的传给靶材原子，接受过动量传递的靶材原子进而会与其他的靶材原子发生碰撞，形成级联反应。在此过程中，表面附近的一些原子就会因获得足够的能量，溅射出来，随之离开靶材。2.1.2 磁控溅射方法的操作流程长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 23 页 第 10 页装订线（1）清洗基片：用镊子取出单晶硅片，并标记出相应的晶面指数，确定是（001）还是（100） 。然后放入经过预先清洗处理过的烧杯中，接下来第一步要做的便是在烧杯中加入适量的丙酮液体，此时要注意，加入丙酮的量不能太少，否则在清洗过程中烧杯漂起，容易倾倒。将烧杯放入到超声波清洗仪器中去，取出一张干净干燥的滤纸放于烧杯口处，然后开始清洗工作，设定清洗为十分钟，待十分钟后取出烧杯。将烧杯中使用过的丙酮倒入废液收集器中，此刻应该注意，倾倒