层状钙钛矿型Bi_4Ti_3O_（12）铁电薄膜的择优取向生长与回线动力学标度

题名:层状钙钛矿型Bi_4Ti_3O_（12）铁电薄膜的择优取向生长与回线动力学标度
作者:李超
学位授予单位:青岛大学
关键词:Bi_4Ti_3O_(12);;薄膜;;原位外电场诱导;;取向生长;;铁电体;;回线动力学标度
摘要:

 层状钙钛矿型铁电体Bi4Ti3O12的居里温度高,自发极化大，Ps靠近α轴。稀土掺杂的Bi4Ti3Oi2薄膜在金属电极上耐疲劳,是实现铁电存储器应用的最佳材料之一。人们希望能制备沿α轴(或近α轴)均匀取向生长(取向度超过95%)的Bi4Ti3Oi2基铁电薄膜,以便获得大的剩余极化。同时,为满足铁电存储器实用要求,很有必Neodymium Magnets要直接在金属电极上取向生长铁电薄膜。但是实验证明,要求钙钛矿型铁电薄膜在金属电极上均匀取向生长相当困难。

 本论文在Bi4Ti3O12薄膜快速升温晶化时,通过原位外加电场诱导薄膜中晶粒取向成核,用sol-gel工艺直接在标准型(111)Pt/Ti/SiO2/Si(100)衬底上制备了高a/b轴择优取向的Bi4Ti3O12薄膜。较系统研究了外电场大小、升温速率及退火温度对Bi4Ti3O12薄膜择优取向生长的影响。结果表明,若铁电薄膜的居里温度高于其结晶温度,在薄膜晶化成核时,外电场的确可以有效地诱导晶粒取向成核,晶粒的自发极化倾向与外电场方向一致。在外电场2 kV,升温速率60℃/s,退火温度750℃时获得高a/b轴择优取向的Bi4Ti3O12薄膜,该薄膜电滞回线饱和,剩余极化2Pr值高达63μC·cm-2,由此估计其中沿a/b轴择优取向晶粒的体积分数约为62%。

 对比研究了a/b轴择优取向和随机取向Bi4Ti3O12铁电薄膜的回线动力学标度。结果表明,a/b轴择优取向Bi4Ti3O12薄膜的回线面积<A>随外加电场的频率f和幅值E0的变化关系为：在低频段(外电场频率f＜1/τe时),标度关系为<A>∝f0.018E00.6；在高频段(外场频率f＞1/τe时),有标度关系<A>∝f-0.026E00.6。而随机取向Bi4Ti3O12薄膜的<A>随外加电场的变化关系在高频段和低频段可统一为<A>∝f-0.106E01.667。实验发现,a/b轴择优取向Bi4Ti3O12铁电薄膜的特征翻转时间τe随外电场幅值的增大而减小,回线饱和时其畴翻转特征时间为1.1 ms,而随机取向的薄膜中,在测试频率范围内无畴翻转的特征时间出现。两种不同取向薄膜标度关系的差异反映了a/b轴择优与随机取向薄膜中铁http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets电畴翻转的差异。与a/b轴择优取向Bi4Ti3O12薄膜相比,随机取向薄膜的回线面积<A>随频率f增大迅速减小,随外电场幅值E0的增大迅速增大。表明随机取向薄膜中铁电畴在极化翻转过程中消耗的能量小,翻转的速度慢。
学位年度:2010