菱面体畸变的钙钛矿结构多铁性氧化物薄膜畴界精细结构

畴是所有铁性材料的一个共同本质特性,畴及畴界的结构极大影响着材料性能。本文应用高分辨透射电子显微学和定量电子显微学,在原子尺度定量研究了钙钛矿菱面体结构多铁性薄膜BiFeO3的109°畴界的精细结构,包括畴界附近阳离子位移及局部铁电极化分布。结果表明：正是由于畴界附近原子发生微小位移,导致材料能带的变化,带隙减小,从而在绝缘BiFeO3中产生独特的导电性能。这不仅为研究铁电极化反转和磁电效应等科学问题提供关键的定量结构信息,同时也促进相关材料的设计和性能优化。     

0.7BiFeO_3-0.3PbTiO_3薄膜结构与电学性能的厚度效应

以溶胶–凝胶法在Pt/Ti/SiO2/Si(111)基底上制备了厚度为30~1 110 nm的0.7BiFeO3-0.3PbTiO3(0.7BFO-0.3PT)薄膜,研究了薄膜厚度对0.7BFO-0.3PT薄膜的结构与电学性能的影响。结果表明,随着膜厚的增加,晶格常数c与a的比值c/a以及晶粒尺寸都呈现先增大后减小的趋势,但其剩余极化强度及介电常数却均与薄膜厚度呈正比。厚度为180 nm的0.7BFO-0.3PT薄膜具有最大的矫顽场(2.99×105V/cm)和晶粒均匀度(42 nm),同时其晶格常数比c/a也达到最大,为1.129 9。     

ZnO/Si(111)界面结构的同步辐射掠入射X射线衍射研究

在不同的衬底温度下,用脉冲激光沉积(PLD)方法制备了c轴高度取向的ZnO薄膜.采用同步辐射掠入射X射线衍射(GID)技术研究了ZnO薄膜与Si(111)衬底的界面结构.GID结果表明:不管衬底温度是500℃还是300℃,在无氧气氛下用PLD方法制备的ZnO外延膜均处于压应力状态,且随着X射线探测深度的增加,应力增大.结合常规X射线衍射技术,计算了薄膜内的双轴应力;给出了样品的泊松比和c/a值,得出两样品均接近理想的六方密堆积结构,偏离标准的ZnO值.综合各方面实验结果,说明衬底温度控制在500℃时生长的ZnO薄膜具有较好的晶体质量.     

ZnO/Si (111）界面结构的同步辐射掠入射X射线衍射研究

在不同的衬底温度下,用脉冲激光沉积(PLD)方法制备了c轴高度取向的ZnO薄膜.采用同步辐射掠入射X射线衍射(GID)技术研究了ZnO薄膜与Si(111)衬底的界面结构.GID结果表明:不管衬底温度是500℃还是300℃,在无氧气氛下用PLD方法制备的ZnO外延膜均处于压应力状态,且随着X射线探测深度的增加,应力增大.结合常规X射线衍射技术,计算了薄膜内的双轴应力;给出了样品的泊松比和c/a值,得出两样品均接近理想的六方密堆积结构,偏离标准的ZnO值.综合各方面实验结果,说明衬底温度控制在500℃时生长的ZnO薄膜具有较好的晶体质量.     

沉积温度对BiFeO3薄膜的微观结构与化学计量比的影响

采用高分辨透射电子显微镜并结合选区电子衍射、X射线能谱仪技术研究沉积温度对BiFeO3薄膜的微观结构与化学计量比的影响。与600℃和700℃沉积的BiFeO3薄膜相比,在500℃沉积的BiFeO3薄膜表面出现了许多岛状的二次相,即Bi2O3。当沉积温度提高到600℃和700℃时,外延BiFeO3薄膜是单晶,并且与SrRuO3缓冲层匹配良好,而且没有出现位错和二次相。通过大量的EDS数据统计分析,在500℃、600℃和700℃生长的BiFeO3薄膜,它们的Bi/Fe摩尔比分别为0.798、0.906和0.870,其中,Bi元素的缺乏可能是由于500℃时析出物Bi2O3的形成和700℃时Bi的挥发所致。     

多铁性BiFeO3/SrTiO3多层膜的透射电镜研究

本文利用透射电子显微镜（TEM）研究了由磁控溅射法生长的多铁性BiFeO3/SrTiO3多层膜的微观结构。衍衬分析及高分辨电子显微（HRTEM）像显示出界面清晰的各个单层。BiFeO3外延生长在SrTiO3（001）衬底上,生长方向沿基体c轴。随着薄膜厚度的增加,即多层膜周期的加长,层与层之间界面不再平直。原子序数Z衬度成像,EDS线扫以及各种元素的能量过滤综合分析确定了多层膜的成分变化特征。     

Gd掺杂BiFeO3薄膜的溶胶-凝胶法制备和电性能研究

利用溶胶-凝胶工艺在ITO/玻璃衬底上制备了Bi1-xGdxFeO3(x=0.00、0.05、0.10和0.15)薄膜.研究了Gd掺杂对薄膜的结构、形貌、漏电流性能和介电性能的影响.结果显示,未掺Gd和Gd掺杂为5％的样品为菱方结构,当Gd掺杂量达到10％和15％时,样品变为四方结构.掺10％Gd的薄膜样品表面光滑、平整,晶粒大小均匀.Gd的掺入大大降低了BiFeO3(BFO)薄膜的漏电流,其中掺Gd量为10％和15％的薄膜的漏电流几乎为零.在整个测试频率范围内,掺10％Gd的样品的介电常数较大且能保持恒定,同时其介电损耗最小.     

在蓝宝石衬底两个相反c面同时生长氮化镓薄膜的差异

运用金属有机气相外延设备 ,在蓝宝石衬底两个相反取向的 c面上同时生长六方相氮化镓薄膜 .对此进行了扫描电子显微镜、俄歇电子能谱、透射电子显微镜的分析和研究 .发现这两个薄膜有许多不同之处     

BiFeO_3/Bi_4Ti_3O_(12)多层铁电薄膜的性能研究

采用sol-gel法在FTO/玻璃底电极上制备了BiFeO3/Bi4Ti3O12多层薄膜。研究了室温下薄膜的结构,铁电和漏电流性质。结果表明,相对于纯的BiFeO3薄膜,BiFeO3/Bi4Ti3O12多层薄膜具有更低的漏电流,表现出较强的铁电性,在4.40×105V/cm的测试电场强度下,剩余极化强度为3.7×10–5C/cm2。在2.00×105V/cm的测试电场强度下,BiFeO3和BiFeO3/Bi4Ti3O12薄膜的漏电流密度分别为10–5和10–7A/cm2。     

在复合衬底γ-Al2O3/Si(001)上生长GaN

采用分子束外延(MBE)生长方法,使用γ-Al2O3材料作为新型过渡层,在Si(∞1)衬底上获得了没有裂纹的GaN外延层,实验结果表明使用γ-Al2O3过渡层有效地缓解了外延层中的应力.通过生长并测试分析几种不同结构的外延材料,研究了复合衬底γ-Al2O3/Si(001)生长GaN情况,得到了六方相GaN单晶材料,实现了GaN c面生长.预铺薄层Al及高温AlN层可以提高GaN晶体质量,低温AlN缓冲层可以改善GaN表面的粗糙度.为解决Si(001)衬底上GaN的生长问题提供了有益的探索.     

Nd掺杂对BiFeO3薄膜微结构和电学性能的影响

采用化学溶液方法,在LaNiO3/Si(100)衬底上生长了Nd掺杂的BiFeO3薄膜.XRD分析结果表明,随着Nd掺杂量的增加,薄膜晶格变小,Nd掺杂量为20%时,薄膜出现杂相.介电测试表明,随着Nd掺杂量的增加,介电常数和损耗减小,Nd掺杂量为2%的薄膜表现出很强的介电色散现象并出现介电损耗弛豫峰,其符合类德拜模型特征.随着Nd掺杂量增加,薄膜的漏电流减小,在低电场下,电流输运遵从SCLC模型,在高场下,电流输运遵循Poole-Frenkel模型.分析结果表明Nd掺杂对薄膜微结构和电学性能有显著影响.     

外延BiFeO_3薄膜的温度特性

基于Landau-Devonshire唯象理论,采用等效衬底晶格常数的方法,并拟合了磁刚度系数的温度函数,对多铁性外延BiFeO3薄膜的铁电性和磁性进行了研究。结果表明,70nm厚薄膜的磁化强度在10～731℃先增加后减小,在371℃时有最大值64569A/m,随膜厚的增加磁化强度的极值减小;自发极化、c轴晶格常数随膜厚的增加而减小,同一厚度薄膜随温度的升高自发极化强度减小;压电常数、相对介电常数随温度升高而增大,随膜厚增加而增加。     

掺杂钛酸钡薄膜的合成及性能研究

通过化学溶液沉积法制备的BiFeO3-BaTiO3薄膜在室温下能够同时显现铁电性和铁磁性。在600℃至700℃的条件下,以Pt/TiOx/SiO2/Si为载体,能够成功得到钙钛矿单相0.7BiFeO3-0.3BaTiO3薄膜。随着结晶温度上升,晶粒持续增长,最终在700℃时到达更高的结晶度。由于0.7BiFeO3-0.3BaTiO3薄膜的绝缘电阻较低,它所显现的极化(P)-电场(E)磁滞回线较弱。尽管如此,在0.7BiFeO3-0.3BaTiO3薄膜铁的位置上添加锰,高作用场的漏电流有效地减少,最终铁电性质得到了提高。在室温下,添加了摩尔分数5%的锰的0.7BiFeO3-0.3BaTiO3薄膜同时显现铁电极化和铁磁磁化磁滞回线。     

Functional Perovskites – From Epitaxial Films to Nanostructured Arrays

Functional perovskite materials gain increasing significance due to their wide spectrum of attractive properties, including ferroelectric, ferromagnetic, conducting and multiferroic properties. Due to the developments of recent years, materials of this type can conveniently be grown, mainly by pulsed laser deposition, in the form of epitaxial films, multilayers, superlattices, and well‐ordered arrays of nanoislands. These structures allow for investigations of preparation–microstructure–property relations. A wide variation of the properties is possible, determined by strain, composition, defect contents, dimensional effects, and crystallographic orientation. An overview of our corresponding work of recent years is given, particularly focusing on epitaxial films, superlattices and nanoisland arrays of (anti)ferroelectric and multiferroic functional perovskites.     

(1–x)BiFeO3-xBaTiO3陶瓷的结构与电学性能研究

采用固相反应法制备了(1–x)BiFeO3-xBaTiO3多晶陶瓷样品,研究了 BaTiO3添加对 BiFeO3陶瓷结构、电学性能的影响。结果表明:当 x 由 0 增加到 0.4 时,样品的相结构由三方钙钛矿结构逐渐转变为立方结构,杂相有效消除;漏电流密度从 1.1×10–5A·cm–2下降至 1.1×10–7A·cm–2,相对介电常数提高了 2.6 倍,剩余极化强度增加了近 20 倍。     

BST/LSCO异质结构的研究

利用脉冲激光沉积法在STO(001)基片上外延生长了La0.5Sr0.5CoO3(LSCO)导电氧化物薄膜,研究了基片温度对LSCO薄膜结构和电性能的影响,并制备了Ni-Cr/BST/LSCO多层膜结构。XRD谱发现,沉积温度在450~700℃均能得到高度(00 l)取向的LSCO薄膜,LSCO(002)峰的半高峰宽FWHM=0.1°~0.2°;在LSCO薄膜上制备的BST介质膜具有良好的c轴取向和较高的表面平整度,其εr约为470,tgδ为0.036~0.060。     

ZnO过渡层对BiFeO_3薄膜铁电性能的影响

采用溶胶–凝胶法,在Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)衬底上采用逐层退火工艺制备了BFO(BiFeO3)、ZnO/BFO和ZAO(掺铝氧化锌)/BFO薄膜,研究了ZnO、ZAO过渡层对BFO薄膜晶相以及铁电、漏电和介电性能的影响。结果表明:与BFO薄膜相比,ZnO/BFO薄膜的表面更加致密、平整,结晶性更好,双剩余极化强度(2Pr)有非常大的提高,漏电和介电性能也均有改善。ZAO/BFO薄膜的铁电性能比ZnO/BFO薄膜的铁电性能差,这与ZAO的导电性强于ZnO有关。