（材料物理与化学专业论文）mn对bifeo3基薄膜结构及性能的影响研究.pdf

e f f e c t a 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：隆盔拯 e l期：边ff ：61f 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 囚公开口保密( - 年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：堡垒垒盈导师签名：秘日期：训f 济南大学硕士学位论文 目录 摘 要v a b s t r a c t v i i 第一章绪论1 1 1 多铁材料1 1 1 1 铁电性1 1 1 2 铁磁性3 1 2 压电材料4 1 3 铁酸铋( b i f e 0 3 ) 4 1 3 1b i f e 0 3 研究进展6 1 3 2b i f e 0 3 在应用方面需要解决的问题6 1 4 掺杂及制备工艺对b i f e 0 3 性能的影响8 1 4 1 元素掺杂对b i f e 0 3 性能的影响8 1 4 2 制备工艺对b i f e 0 3 性能的影响1 4 1 5 本课题的研究目的及意义1 5 1 6 本课题的研究工作1 6 第二章实验方案设计与研究方法18 2 1 实验原料与设备18 2 2 b i f e 0 3 薄膜的制备1 9 2 2 1b i f e 0 3 前驱体溶液的制备1 9 2 2 2 铁电薄膜的制备1 9 2 3 薄膜结构及性能表征方法2 1 m n 对b i f e 0 3 基薄膜结构及性能的影响研究 2 3 1x 射线衍射2 1 2 3 2 原子力显微镜( a f m ) 2 l 2 3 3 扫描电子显微镜( s e m ) 2 2 2 3 4 铁电性能测试一2 2 第三章m n 掺杂对b i o 跖s m o “f e 0 3 薄膜铁电和压电性能的影响2 4 3 1m n 掺量对b s f o 薄膜结构的影响2 4 3 2m n 掺量对b s f o 薄膜漏电的影响2 4 3 3m n 掺量对b s f o 薄膜在5 r d - i z 频率下测得的电滞回线的影响2 6 3 4m n 掺量对b s f o 薄膜抗击穿性能的影响2 7 3 5m n 掺量对b s f o 薄膜保持性能的影响。2 9 3 6m n 掺量对b s f o 薄膜疲劳性能的影响31 3 7m n 掺量对b s f o 薄膜压电性能的影响3 2 3 8d 、结3 4 第四章单层厚度对b i f e o 9 5 m n o 0 5 0 3 薄膜结构与铁电性能的影响3 6 4 1 单层厚度对b f m o 薄膜结构的影响3 6 4 2 单层厚度对b f m o 薄膜生长模式影响3 7 4 3 单层厚度对b f m o 的漏电密度的影响3 8 4 4 单层厚度对b f m o 的电滞回线的影响3 9 4 5 单层厚度对b f m o 薄膜的保持性能的影响4 1 4 6 卅、结4 2 第五章退火温度对不同单层厚度的b f m o 薄膜结构与性能的影响4 4 5 1 退火温度对不同单层厚度的b f m o 薄膜的结构的影响4 4 u 5 2 退火温度对单层厚度为2 5n l n 的b f m o 薄膜的漏电影响4 8 5 3 退火温度对不同单层厚度的b f m o 薄膜电滞回线的影响4 9 5 4 退火温度对单层厚度为2 5a m 的b f m o 薄膜保持性能的影响5 2 5 5 小结5 4 第六章结论与展望5 5 6 1 主要结论5 5 6 2 主要创新点5 6 6 3 工作展望5 6 参考文献5 7 致谢6 3 附录6 4 一、在校期间发表的学术论文6 4 二、在校期间参加的项目一6 4 三、申请的专利6 4 1 1 1 济南大学硕士学位论文 皇曼蔓曼曼詈曼量曼曼曼舅曼曼蔓曼皇曼曼曼曼曼曼曼寰曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼皇量_ _ _ 一ii r a 一一i i 曼曼量 摘要 b i f e 0 3 是一种在室温下具有多铁性的无铅材料，其居里温度( t c 8 5 0 c ) 和尼尔温度( t n 一3 7 0 。c ) 都较高。近年来研究发现镧系元素掺杂和应变都能够 使b i f e 0 3 的结构出现准同型相界，在准同型相界附近存在可以与p z t 媲美的 压电响应，在未来的信息存储、传感器、微机电系统和多功能器件等应用中有 希望取代含铅材料。但是，采用化学溶液法制备的b i f e 0 3 薄膜存在严重的漏电 问题，矫顽场较大，绝缘性能和长期可靠性较低，与未来器件应用的要求还有 一定的差距。因此，目前的关键问题就是要抑制b i f e 0 3 基薄膜的漏电、改善其 绝缘性能和长期可靠性以及提高薄膜的极化和压电系数。 本论文通过精确控制m n 掺杂量降低了b i f e 0 3 基薄膜的漏电并且保持了其 压电性能，通过控制薄膜制备的工艺参数提高了薄膜的结晶程度，获得较好的 铁电性能。本文采用金属有机分解法结合层层退火工艺在i t o 玻璃衬底上制备 了b i f e 0 3 基薄膜，一方面研究了m n 掺量对b i o 8 6 s r n o 1 4 f e 0 3 薄膜在结构、漏电、 铁电和压电性能上的影响；另一方面研究了薄膜的单层厚度和退火温度对 b i f e o 9 5 m n o 0 5 0 3 薄膜的生长模式和电学性能的影响。主要得到以下结论： 沉积在i t o 玻璃衬底上掺杂了不同浓度m n 的b i o s 6 s r n o 1 4 f e l 嘱m n x 0 3 ( x = o 0 0 ，o 0 1 ，o 0 3 ，0 0 5 ) 薄膜中，与b i o 8 6 s m o 1 4 f e 0 3 薄膜相比，只有 b i o 8 6 s m o 1 4 f e o 9 9 m n o 0 1 0 3 薄膜表现出更低的漏电流、更小的矫顽场以及更大的剩 余极化和压电系数。这表明为了获得b i o 8 6 s r n o 1 4 f e 0 3 薄膜的本征的铁电和压电 性能，掺杂1a t 的m n 是非常有必要的。而过量的m n 掺杂造成了 b i o 8 6 s m o “f e 0 3 薄膜的压电性能的大幅下降，同时铁电性能也在一定程度上被 破坏。这是由于较高含量m n 的掺杂使b i o 8 6 s m o 1 4 f e 0 3 薄膜的结构偏离了准同 型相界，而且在掺杂了较多( 3a t 和5a t ) m n 的b i o 8 6 8 1 1 1 0 1 4 f e 0 3 薄膜中， 老化现象较为严重，非1 8 0 0 畴壁的不可逆运动的贡献也降低了。 在层层退火工艺条件下，制备了不同单层厚度( 4 2n l t l ，3 1n n l ，2 5n m ) 的 b i f e o 9 5 m n o 0 5 0 3 薄膜。其中单层厚度为2 5n m 的薄膜的( 1 1 0 ) 一取向择优生长，晶 粒从衬底到上电极之间实现贯通的柱状生长，避免了多层结构，其中缺陷较少。 单层厚度为4 2h i 1 和3 1a m 的b f m o 薄膜都表现出多层生长，其中晶界较多， v m n 对b i f e 0 3 基薄膜结构及性能的影响研究 缺陷也较多。在漏电方面，随着单层厚度的减小，薄膜的漏电密度稍有增加， 这主要是因为单层厚度小的薄膜晶粒大、晶界少，漏电路径短。薄膜的保持性 能有大幅度的提高，单层厚度为2 5n n l 薄膜几乎没有脉冲极化损失而单层厚度 为4 2n l n 的薄膜脉冲极化损失为2 7a t 。这是由于后者中有较多的缺陷，从而 产生了严重的老化使保持性能下降。单层厚度为2 5n i n 薄膜电滞回线的矩形度 比其他两个样品的大的多，而且其剩余极化也是最大的( 8 2g c c m 2 ) ，矫顽场 的非对称程度是最小的。这也是与该样品的老化程度比较轻微有关。因此，制 备b i f e o 9 5 m n o 0 5 0 3 薄膜所采用的最佳单层厚度是2 5n m ，该单层厚度足以使薄 膜达到贯通的柱状生长，在保证较小的漏电密度的同时，能够显著的提高薄膜 的剩余极化值并且大幅改善薄膜的保持性能。 对于在不同温度下退火的不同单层厚度的b i f e o 9 5 m n o 0 5 0 3 薄膜，单层厚度 较薄的b i f e o 9 5 m n o 0 5 0 3 薄膜在较高温度下退火时的( 11 0 ) 择优取向度较高。但 是在高温下退火的b i f e o 9 5 m n o 0 5 0 3 薄膜的漏电密度偏大，这是由高温退火使晶 粒较大，漏电路径变短造成的。对于不同单层厚度的b f m o 薄膜，剩余极化都 是随着退火温度的升高而增大，当退火温度达到6 0 0 时又有所下降；对于在 较低温度下退火的薄膜，其剩余极化随单层厚度的减小而明显增加。这是老化 和漏电共同作用的结果。随着温度的升高，薄膜的结晶程度升高，缺陷减少， 老化程度降低使剩余极化增大，而过高的退火温度会带来较大的漏电，这使得 施加在薄膜上的有效电压降低，剩余极化减小。b i f e o 9 5 m n o 0 5 0 3 薄膜的保持性 能随退火温度的升高得到明显改善，而过高的退火温度下薄膜的保持性能又有 所下降。因此，5 7 5 是最佳的退火温度，在5 7 5 退火的b f m o 薄膜的没有 表现出太大的漏电密度，同时表现出了极大的剩余极化( 8 6 上c c m 2 ) 和优异的 的保持性能。 关键词：多铁性；铁酸铋；铁电薄膜；压电系数；剩余极化 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t b i f e 0 3 ，a sam u l t i f e r r o i cl e a d f r e em a t e r i a la tr o o mt e m p e r a t u r e ，s h o w sh i 曲 f e r r o e l e c t r i cc u r i et e m p e r a t u r e ( 一8 5 0 ) a n da n t i f e r r o m a g n e t i cn d e lt e m p e r a t u r e ( 一3 7 0 ) r e c e n t l y , i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tm o r p h o t r o p i cp h a s eb o u n d a r yc a nb e d r i v e nb yt h ed o p i n go fl a n t h a n i d e sa n ds t r a i ni nt h eb i f e 0 3t h i nf i l m s t h e s ef i l l s ， e x h i b i t i n gal a r g ep i e z o e l e c t r i cr e s p o n s ec o m p a r a b l et ot h a to fp z t , a l eap r o m i s e c a n d i d a t et os u b s t i t u t ep z tf a m i l ym a t e r i a l si nt h ef u t u r ea p p l i c a t i o no fi n f o r m a t i o n s t o r a g e ，p i e z o e l e c t r i cs e n s o r s ，m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l ( m e m s ) s y s t e m s a n d m u l t i f u n c t i o n a ld e v i c e s h o w e v e r ，b i f e 0 3t h i nf i l m s ，e s p e c i a l l yf o rt h o s ep r e p a r e d b yc h e m i c a ls o l u t i o nm e t h o d ，s u f f e ral a r g el e a k a g ec u r r e n t f u r t h e r m o r e ，t h el a r g e c o e r c i v ef i e l d ，i n s u l a t i n gp r o p e r t i e sa n dt h el o n g t e r mr e l i a b i l i t ys h o u l db ei m p r o v e d f o rt h ef u t u r ea p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，i ti sc r u c i a lt or e s o l v et h ep r o b l e ma n de n h a n c e t h er e m a n e n tp o l a r i z a t i o na n dp i e z o e l e c t r i cc o e f f i c i e n to fb i f e 0 3t h i nf i l m s a sr e p o r t e di nt h i st h e s i s ，t h el e a k a g ec u r r e n to fb i f e 0 3 一b a s e dt h i nf i l m si s r e s t r a i n e da n dt h ep i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e sa r ep r e s e r v e db yc o n t r o l l i n ga c c u r a t e l yt h e d o p i n gc o n t e n to fm n t h ep r o c e s sp a r a m e t e r s a r e a d j u s t e d t oo b t a i nh i g h c r y s t a l l i n i t yi no r d e rt oa c h i e v eb e t t e rf e r r o e l e c t r i cp r o p e r t i e s b i f e 0 3 一b a s e dt h i n f i l m sa r ep r e p a r e do nt h ei t o g l a s ss u b s t r a t e sb ym e t a lo r g a n i cd e p o s i t i o nm e t h o d c o m b i n i n gl a y e rb yl a y e ra n n e a l i n gp r o c e s s t h ee f f e c to fm n s u b s t i t u t i o no nt h e s t r u c t u r e ，l e a k a g ec u r r e n t ，f e r r o a n dp i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e so fb i 0 8 6 s m o 1 4 f e 0 3t h i n f i l m si s i n v e s t i g a t e d o nt h eo t h e rh a n d ，t h ee f f e c to fe a c hl a y e rt h i c k n e s sa n d a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e o nt h e g r o w t h m o d ea n de l e c t r i c a l p r o p e r t i e s o f b i f e 0 9 5 m n o 0 5 0 3i ss t u d i e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： i na nt h eb i 0 s 6 s m o 1 4 f e l - x m n x 0 3 ( x = o 0 0 ，o 0 1 ，o 0 3 ，o o s ) f i l m sd o p e dd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n sm n ，b i 0 $ 6 s m o 1 4 f e o 9 9 m n 0 0 10 3f i l ms h o w sl o w e rl e a k a g ec u r r e n ta n d c o e r c i v ef i e l d ( 2 7 2k v c m ) a sw e l la sl a r g e rr e m a n e n tp o l a r i z a t i o n ( p 严5 3 6p c c m z ) a n d o u t o f - p l a n ep i e z o e l e c t r i c c o e f f i c i e n t( d 3 3 = 14 6 p m v ) t h a n t h o s eo f b i 0 8 6 s m 01 4 f e 0 3f i l m t h i sp h e n o m e n o ni n d i c a t e st h a ti ti sn e c e s s a r yt od o p e1 a t v i l m n 对b i f e o ，基薄膜结构及性能的影响研究 m ni nb i 0 8 6 s m o 1 4 f e 0 3f i l mi no r d e rt oo b t a i nt h ei n t r i n s i cf e r r o - a n dp i e z o e l e c t r i c p r o p e r t i e s h o w e v e r , e x c e s s i v em nc a r l l e a dt ot h e s h a r p l yd e c r e a s e o ft h e p i e z o r e s p o n s ea n dt h ed e t e r i o r a t i o no fc h a r g er e t a i n i n gc a p a b i l i t yo ft h ef i l m st os o m e e x t e n t t h en e g a t i v ei n f l u e n c eb r o u g h tb yh i g hc o n t e n t so fm nd o p i n gc a nb e e x p l a i n e db yt h e s t r u c t u r ed e v i a t i o nf r o mt h em p bo fb s f of i l ma n dl e s s c o n t r i b u t i o nf r o mi r r e v e r s i b l em o v e m e n to fn o n - 18 0 0d o m a i nw a i l si na g e db s f m o f i l m sd o p e d 谢n l3a n d5a t m n b i f e 0 9 5 m n o 0 5 0 3f i l m s 嘶t 1 1d i f f e r e n te a c hl a y e rt h i c k n e s s ( 4 2n n l ，31n i n ，2 5n m ) a l e d e p o s i t e do nt h ei t o g l a s s s u b s t r a t e s b ym e t a lo r g a n i cd e p o s i t i o nm e t h o d c o m b i n i n gl a y e rb yl a y e ra n n e a l i n gp r o c e s s t h ef i l m 、析t 1 1ae a c hl a y e rt h i c k n e s so f 2 5n l na c h i e v e sh o m o e p i t a x i a ig r o w t ha n df o r mt h ec o l u m nt h r o u g hg r a i n sf r o m s u b s t r a t et of i l ms u r f a c e t h i sg r o w t hm o d ea v o i d sm u l t i l a y e rs t r u c t u r ea n dr e d u c e s t h ea m o u n to fg r a i nb o u n d a r i e sa sw e l la st h ec r y s t a l l i n ei m p e r f e c t i o nt oag r e a te x t e n t w h i l et h em u l t i l a y e rg r o w t hm o d e ，b r i n g i n gm a n yg r a i nb o u n d a r i e sa n dd e f e c t s ，i s f o u n di nt h ef i l m sw i t l le a c hl a y e rt h i c k n e s so f4 2 衄a n d311 1 1 1 1 w i t ht h ed e c r e a s eo f e a c hl a y e rt h i c k n e s so ff i l m s ，t h el e a k a g ec u r r e n td e n s i t ye x h i b i t ss l i g h t l yi n c r e a s ed u e t ot h es h o r t e rl e a k a g ep a t hr e s u l t i n gf r o mt h el a r g e rg r a i na n dl e s sb o u n d a r i e si nt h e f i l m 、) i ，i t l lat h i n n e re a c hl a y e r t h ee a c hl a y e rt h i c k n e s so f2 51 1 mf i l mi sa l m o s tn o p u l s ep o l a r i z a t i o nl o s sw h i l ef o rt h ee a c hl a y e rt h i c k n e s so f4 2n n lf i l m ，p u l s e p o l a r i z a t i o 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a t u r eu pt o 6 0 0 c f u r t h e r m o r e ，t h er e m a n e n tp o l a r i z a t i o ni n c r e a s e so b v i o u s l y 诵n lt h er e d u c t i o n o fe a c hl a y e rt h i c k n e s s t h e s er e s u l t sm a y o r i g i n a t ef r o mt w of a c t o r s ：l e a k a g ec u r r e n t a n da g i n ge f f e c t a st h er a i s eo ft h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，t h ec r y s t a l l i n i t yo ff i l m s i n c r e a s e sa n da m o u n to fd e f e c t sl o w e r s a sar e s u l t ，s m a l l e ra g i n ge f f e c tl e a d st ot h e i n c r e a s eo fr e m a n e n tp o l a r i z a t i o n o nt h eo t h e rh a n d , h i g hc r y s t a l l i n i t yc a l li n d u c e l a r g e rl e a k a g ec u r r e n tw h i c hc a nr e d u c et h ee f f e c t i v ee l e c t r i cf i e l df o rt h es w i t c h i n go f d o m a i n sa n dd e c r e a s et h er e m a n e n tp o l a r i z a t i o n t h er e t e n t i o np e r f o r m a n c eo f b i f e 0 9 5 m n o 0 5 f i l m si si m p r o v e db yt h er a i s eo fa n n e a l i n gt e m p e r a t u r ew h i l ei t d e c r e a s ew h e nt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r eu pt o6 0 0 c ，w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ht h e r e s u l to fr e m a n e n tp o l a r i z a t i o n t h e r e f o r e ，t h eb e s ta n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei s5 7 5 c b i f e 0 9 5 m n o 0 5 0 3f i l ma n n e a l e da t5 7 5 t 2s h o w sl o w e rl e a k a g ec u r r e n td e n s i t y , l a r g e r e m a n e n tp o l a r i z a t i o n ( 8 6k t c c m 2 ) a n ds u p e r i o rr e t e n t i o np r o p e r t i e s k e yw o r d s ：m u l t i f e r r o i c ；b i f e 0 3 ；f e r r o e l e c t r i ct h i nf i l m ；p i e z o e l e c t r i c c o e f f i c i e n t ；r e m a n e n tp o l a r i z a t i o n i x 济南大学硕士学位论文 皇曼皇皇曼曼i i i i ii i , , , 皇曼曼曼曼曼曼曼曼蔓皇璺皇曼皇曼曼鼍曼曼曼舅舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 1 1 多铁材料 第一章绪论 多铁材料是指在某一温度范围内，同时存在铁弹性、( 反) 铁电性和( 反) 铁磁 性其中的任意两种或两种以上有序态的材料【l l 。这类材料除了传统的应用以外 ( 铁电存储器和压电传感器等) ，由于它的两种或者两种以上序参数的耦合，多 铁材料可以制成高电容和大电感一体化的电子元器件，为减少高密度电路板上 的器件数量，解决感性器件和容性器件的相互干扰问题提供了新的思路印】。更 重要的是，多铁材料还可以广泛应用于多功能微电子器件中。从2 0 世纪6 0 年 代开始，多铁性材料就曾被提出【4 j 。但是受到当时材料制备技术的限制，每年 只有5 1 5 篇关于多铁材料的报道i s , 6 】。近年来，随着材料制备技术的提高和对多 功能新材料的需要的增长，多铁材料( 特别是无铅多铁材料) 以广阔的应用前 景吸引了越来越多的研究。而天然的多铁材料并不多，少数单相的多铁材料主 要有：r m n 0 3 系列，其中r e s c ，yi n ，h o l u ，b i r 0 3 系列，其中r f e ，c r , m n ，另外b a f e 0 3 也被证明是一种多铁材料【7 1 。作为一种典型的单相多铁材料， 纯相的b i f e 0 3 具有a b 0 3 钙钛矿结构，是少数在室温下同时具有铁电性和反铁 磁性的材料之一嘲。 1 1 1 铁电性 铁电材料是这样一种晶体电介质：在没有外加电场作用下电介质晶体正负 电荷中心不重合而出现电偶极矩( 这种现象叫做电介质的自发极化) ，并且自发 极化的方向能够随着电场方向的变化而改变。罗息盐是第一种被发现的铁电材 料( v a l a s c k 于1 9 2 0 年发现它的极化反转现象) ，铁电材料的自发极化有不同的 取向( 两个或多个) ，其取向能够随着电场的方向而翻转i s 。铁电体是在一定温 度范围内保持铁电性的，当温度达到居里温度点时发生铁电相到顺电相的转变， 此时，正负电荷中心重合，不再出现电偶极矩，即材料失去铁电性例。铁电材 料的一个重要参数就是极化强度p ，p 值随着电场变化过程所形成的曲线是在一 定区域内的闭合曲线，称为电滞回线，如图1 1 所示。这种闭合的曲线与铁磁 材料的磁通密度与磁场强度的关系曲线( 磁滞回线) 是非常相似的( 见图1 2 ) 。 其中p ，为电场为零的时候材料表现出的极化，称为剩余极化；e 。极化翻转时的 电场，称为矫顽场。典型铁电材料有：钛酸钡( b a t i 0 3 ) 、磷酸二氢钾( k h 2 p 0 4 ) 和铁酸铋( b i f e 0 3 ) 等【9 】。 p s p 厂一 7 。 e e 二 j c _ ， 图1 1 铁电体的电滞回线 f i g 1 1t h ep - eh y s t e r e s i sl o o po ff e r r o e l e c t r i c s 铁电材料的研究已成为材料学、微电子学、凝聚态物理、固体电子学等众 多领域最热门的研究课题之一。由于铁电材料除了具有优良的铁电、热释电及 压电等特性，还具有良好的光电性能，它们在铁电存储器、红外探测器、声表 面波和集成光电器件等固态器件方面有着非常重要的应用，这也极大地推动了 铁电物理学及铁电材料的研究和发展，目前世界上的铁电元件的年产值己达数 百亿美元【1 0 1 。近年来，由于铁电材料薄膜工艺的发展，铁电材料在图像显示、 编页器和铁电光阀阵列作全息照像的存储等领域已开始应用。 在铁电材料所包括的材料种类中，目前应用得最为广泛的是铅系列材料 ( p z t ) 。但是由于含铅材料的有毒，而且此类铁电材料居里温度较低( 2 5 0 3 8 0 ) ，耐疲劳性能较差( 特别是对沉积在p t 衬底上的薄膜) ，应用范围受到了限 制。随着世界范围内对含铅材料应用的限制，对无铅铁电材料的研究己成为最 能够吸引关注的领域之一。 2 济南大学硕士学位论文 量曼曼量鼍寰曼皇曼曼皇i ! i ii i i i 量曼曼詈曼曼曼曼量曼曼曼曼笪笪曼曼曼量曼曼舅曼曼曼量量皇曼曼曼曼罡曼曼曼 1 1 2 铁磁性 铁磁性是指物质中相邻的离子或者原子的磁矩由于相互作用而在磁畴( 磁 矩方向相同的区域) 中大致按相同方向排列，当外磁场强度增大时，磁畴的合 磁矩定向排列程度会增加到某一极限值的现象。 1 9 0 7 年，法国物理学家外斯提出铁磁现象的唯象理论，认为当没有外磁场 作用时，宏观上总磁矩为零，不表现出磁性。当引入外磁场时，内部磁矩有序 排列表现出磁化现象。后来的实验证明了它的正确性，现代铁磁理论也在外斯 的理论基础上得到了发展。铁磁性在外磁场下易达到饱和，磁化强度不再随外 磁场的增加而增大。磁化强度与磁场强度之间是非线性关系，在温度高于临界 温度t 。( 居里点) 时铁磁性消失，铁磁体转变为顺磁体。当外磁场变化时，磁 化强度的改变落后于外磁场的变化，此即为磁滞效应，这表明铁磁体的磁化过 程有明显的不可逆性。去掉外磁场后铁磁体保留部分磁性，磁化强度不为零， 这即为剩磁。顺磁体与铁磁体最大的区别在于剩磁为零。 m m 一 j m 壤嚏 嚣c 三l ， 广 啪 i ， ， if 江么 图1 2 铁磁体的磁滞回线【1 2 】 f i g 1 2t h em - hh y s t e r e s i sl o o po ff e r r o m a g n e t i c s 根据不同的磁滞回线的形状( 见图1 2 ) ，铁磁材料可以分成硬磁材料、软 磁材料和矩磁材料等：硬磁材料的剩余磁化强度和矫顽场都很大，可以用作永 久磁铁；软磁材料的矫顽场较小，磁滞回线所包含的面积较小，一般用作交流 3 m n 对b i f e 0 3 基薄膜结构及性能的影响研究 线圈的铁芯；而矩磁材料的磁滞回线为矩形，只有两种磁化状态，可以应用在 磁性记忆器件中f l l 】。 1 2 压电材料 1 8 8 0 年世纪法国物理学家p 居里和j 居里兄弟发现，当石英晶体受力时， 晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例，这一现象被称为压电效应【1 3 】。 不久，与压电效应相反的( 电场能够使材料变形) 逆压电效应也被发现。研究 表明，很多铁电材料具有较大的压电系数，这也从另一个角度吸引到了人们的 注意。 压电材料包括有机、无机、和复合压电材料，由于材料本身、结晶程度和 制备工艺等因素的差别，其压电响应的差别也很大( 相差达到3 个数量级以上) 。 其中无机压电材料包括压电晶体和压电陶瓷，压电陶瓷是多晶结构的材料。在 多晶陶瓷或者薄膜中，往往会有较多的缺陷，这些缺陷在外电