多鐵性YMnO3、YFeO3的結構及磁電性能研究.pdf

1、多鐵性材料指的是材料中同時具有兩種或兩種以上基本鐵性，包括鐵磁性、鐵電性、鐵彈性。材料的性能取決于材料的結構，而材料的結構又可在制備過程中加以調控，因此多鐵性材料的研究涉及材料、物理、化學等多個領域。多鐵性材料是材料科學領域與凝聚態(tài)物理領域的研究熱點，它在存儲器、傳感器、自旋電子器件中都有著廣泛的應用前景，并有望實現(xiàn)多態(tài)存儲。由于目前發(fā)現(xiàn)的單相多鐵性材料并不多，且大多在室溫以下才能實現(xiàn)鐵電和鐵磁的共存，限制了其實際應用，為此，尋找和開發(fā)

2、新型的單相多鐵性材料成為目前學術界的熱點問題之一。本論文中，我們首先介紹了多鐵性材料的一些基本性質，分析了為什么自然界中缺乏多鐵性材料，并對現(xiàn)有的多鐵性材料進行了分類，然后簡要介紹了YMn〇3(YMO)和YFeOs(YFO)兩種材料的研究現(xiàn)狀，鑒于稀土鐵酸鹽晶體結構的可控性以及其六方結構與稀土錳氧化物的相似性，主要工作圍繞YFO和YMO展開了一系列研究，具體內容如下：
　　(1)采用激光脈沖沉積（PLD)法，在鍍有ZnO:4％Al

3、(AZO)電極的Al2〇3(0001)單晶基片上制備了具有(0001)擇優(yōu)取向的Y M O外延膜，研究了薄膜的結構、漏電流及鐵電壓電性能。壓電力顯微測量（PFM)顯示出較強的振幅信號和相位襯度，并且獲得了清晰的微區(qū)振幅曲線和相位曲線，表明該薄膜具有良好的壓電性和鐵電性。薄膜內部產(chǎn)生的最大有效壓電系數(shù)約為20pm_V'薄膜漏電流密度較低，在室溫下，40kV_cm]下的薄膜電阻率為2.3x107 Q_c m，其漏電流密度低于10_6 A_c

4、m_2，導電機理遵從歐姆定律。P-E測量獲得了明顯的電滯回線，進一步證明了薄膜的鐵電性。
　　(2)采用Sol-gel法在Si(100)基片上制備了多鐵性YMnO3薄膜，利用掠入射XRD、AFM對薄膜的結構及表面形貌進行了分析，用PFM技術研究了納米尺度疇結構及微區(qū)電滯行為，并通過I-V，P-E曲線進一步研究了薄膜的漏電流和宏觀電滯行為。結果表明，該薄膜為六方結構，薄膜表面平整致密，YMnOg晶粒大小均勻，僅幾十納米。該薄膜與Y

5、M O外延膜一樣，其 PFM圖顯示出較強的振幅信號和相位襯度，且電疇可以在電場作用下發(fā)生近180°的極化翻轉。不同之處在于該薄膜表面晶粒所在的區(qū)域構成了電疇的基本區(qū)域，鐵電疇基本表現(xiàn)為單疇結構，最大有效壓電系數(shù)約為40pm-V'該薄膜在300K，薄膜的漏電流密度低于10_6A_cm_2，隨著電壓的增加，其導電機理從遵從歐姆定律轉變?yōu)镾CLC機制。同時獲得了明顯的室溫電滯回線，當外加電場達370kV_cm]時，該回線基本達到了極化飽和。<

6、br>　　(3)采用聚丙烯酰胺溶膠-凝膠方法（sol-gel method)，通過控制合成溫度，制備分別具有正交鈣鈦礦（orthorhombic structure)與六方結構（hexagonal structure)的YFO，對兩種YFO納米晶粉末的晶體結構、成分、磁性和介電性進行了詳細的研究。磁性分析表明，兩種Y F O都具有弱磁性，o-Y F O的奈爾溫度Tn為645K，而 A-Y F O在877K左右出現(xiàn)了磁性異常轉變。從磁滯回

7、線的形狀看，且&Y F O屬于軟磁體，而o-YFO屬于硬磁，且 o-YFO存在明顯的反鐵磁成分。兩者的介電常數(shù)在整個測量溫度區(qū)間都表現(xiàn)出頻率彌散現(xiàn)象，并且都在T<250K和T>340K出現(xiàn)了由熱激活引起的介電弛豫。另外，A-YFO在297K出現(xiàn)了介電異常峰，其介電常數(shù)-溫度曲線滿足居里-外斯定律并具有輕微彌散特征，推測是空間群P63cm-P6 m c的轉變點。另外，o-YFO具有較大的磁介電效應，其磁介電M D最大可達35.11%。

8、r>　　(4)采用Sol-gel法，分別在YSZ(111)、Si(111)和Si(100)單晶基片上制備Y F O薄膜，同時發(fā)現(xiàn)，襯底類型和襯底晶面對薄膜的結構類型和生長方向有非常重要的影響。在YSZ(111)襯底上，Y F O薄膜以正交鈣鈦礦結構存在，同時沿(200)和(131)方向擇優(yōu)生長;在S i襯底上，Y F O薄膜以六方結構存在，且薄膜在Si(111)上具有輕微的(004)擇優(yōu)生長，而在Si(100)上具有(110)擇優(yōu)生長。

9、P F M圖顯示，六方Y F O薄膜顯示出明顯的振幅信號和相位襯度，不同擇優(yōu)取向的薄膜形成不同形狀的疇結構，且具有c軸取向的薄膜顯示出更明顯的明暗襯度。在Si(100)和Si(111)兩襯底上的兩薄膜漏電流都在10_6A以下，且前者漏電流略大于后者。隨著電壓的增加，其導電機理從遵從歐姆定律轉變?yōu)榭臻g電荷限制電流機制。在室溫下，六方Y F O薄膜的剩余極化值Pr與矯頑電場Ec的值較小，表現(xiàn)出弱的鐵電性。
　　(5)采用P L D法，

10、在LAO(111)單晶襯底上制備了具有擇優(yōu)取向的YFeO3/La0.67Sr0.33MnO3異質結，研究了退火前后異質結的磁學性質及電學性質，探討其磁電耦合效應。研究結果表明，LSMO和YFO表面晶粒大小均勻，晶粒排列致密。在空氣中的快速退火處理對異質結的表面形貌及電學性質都有影響?？焖偻嘶鹎埃琘FO/LSMO的I-V曲線表現(xiàn)出異質結特性。結電阻在整個溫度區(qū)間呈先上升后下降的趨勢，同時表現(xiàn)出雙態(tài)電阻轉變行為。快速退火后，薄膜晶粒稍有長大

11、，晶粒邊界更加清晰，但不影響薄膜的晶體結構。L S M O的R-T曲線和In/YFO/LSMO的I-V曲線表明，L S M O可作為底電極并且YFO/LSMO為較理想的歐姆接觸。另外，受底層L S M O以及鐵電/鐵磁界面效應的影響，YFO/LSMO的R-T曲線也出現(xiàn)了異常。P F M圖顯示出YFO薄膜明顯的振幅和相位信號，表明Y F O具有壓電性及自發(fā)極化的電疇。該法制備的YFO的鐵電極化值比Sol-gel法獲得的Y F O薄膜的極化