掺杂LiNbO3薄膜的制备及磁性研究

论文摘要

多铁材料在信息储存、自旋电子器件,磁传感器以及电容、电感一体化器件等方面都显示出了潜在的应用前景,而用磁性元素对LiNbO3薄膜的掺杂有望获得铁电铁磁性共存,将形成一种新型多铁材料体系。采用射频磁控溅射的方法,分别在Si（100）和Si（111）衬底上制备了LiNbO3/SiO2/Si多层结构薄膜,并采用X射线衍射仪（XRD）、傅里叶变换红外吸收光谱仪（FT-IR）和扫描电子显微镜（SEM）对LiNbO3薄膜的结晶取向、组成成分、表面形貌进行了表征,系统的研究了SiO2过渡层对LiNbO3薄膜c轴取向的影响。在此基础上,还采用共溅射的方法在Si（111）衬底制备出了具有室温铁磁性的磁性元素（Fe、Co、Ni）掺杂的LiNbO3薄膜,并用x射线光电子能谱（XPS）和振动样品磁强计（VSM）对其进行了表征,分析了掺杂元素在样品中的存在价态,初步探讨了样品的磁性来源,获得了以下结论:1.当SiO2过度层未退火时为非晶态,且SiO2过度层的缺氧度随着过渡层厚度的增加而增大;当SiO2过度层经过退火处理时,且随着退火温度的升高,SiO2过度层的结晶度逐渐增强,缺氧度逐渐降低。2.随着SiO2过度层退火温度的升高（RT1200℃）和厚度的增加（10nm50nm）,在Si（100）衬底上,LiNbO3薄膜的c轴取向是逐渐增强的;而在Si（111）衬底上,LiNbO3薄膜的c轴取向是逐渐减弱的。当SiO2过度层的厚度为10nm、不经过退火时,在Si（111）衬底上,LiNbO3薄膜获得了最强的c轴取向,其（006）峰的织构系数高达90%。3. Fe、Co掺杂的LiNbO3薄膜样品在300K时均表现出明显的铁磁性。经过测试发现Fe、Co在样品中主要以Fe3+、Co2+的形式存在,且样品中并没有生成第二相,即掺杂LiNbO3薄膜样品的室温铁磁性不是来自于杂质相,而是来源于其本征特性。其中,Fe3+在Fe: LiNbO3薄膜中存在八面体位和五面体位两种占位分布,通过对掺杂LiNbO3薄膜样品的磁交换机制的初步分析,认为其铁磁性主要来源于这两种不同占位Fe3+间以氧离子为媒介产生的间接超交换作用,且薄膜的磁化强度随着Fe掺杂含量的增加而减小。Co在Co: LiNbO3薄膜中仅存在八面体位一种占位形式,通过对薄膜磁性能的分析也表明,其铁磁性主要来源于Co2+间的间接超交换作用,且薄膜的磁化强度随着Co掺杂含量的增加而增大。4. Ni掺杂的LiNbO3薄膜样品在300K时同样也表现出明显的铁磁性,但无法确定Ni在薄膜中是否形成了Ni团簇,因此也无法确定薄膜的铁磁性是来自于Ni团簇还是薄膜本身。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 多铁材料简介

1.1.1 多铁材料的主要性质

1.1.2 多铁材料的研究进展

3 晶体简介'>1.2 LiNbO₃晶体简介

3 的晶体结构和基本性质'>1.2.1 LiNbO₃的晶体结构和基本性质

3 的基本性能'>1.2.2 LiNbO₃的基本性能

3 薄膜的研究现状和制备技术'>1.3 LiNbO₃薄膜的研究现状和制备技术

3 薄膜的研究现状'>1.3.1 掺杂LiNbO₃薄膜的研究现状

3 薄膜的制备技术'>1.3.2 LiNbO₃薄膜的制备技术

1.4 课题研究的目的和意义

1.5 课题研究的主要内容

3/SiO₂/Si 多层结构薄膜的制备与表征'>第二章 LiNbO₃/SiO₂/Si 多层结构薄膜的制备与表征

2.1 实验内容及仪器设备

2.1.1 实验仪器

2.1.2 实验流程图

2.1.3 实验方法

2 过渡层的表征'>2.2 SiO₂过渡层的表征

3 薄膜'>2.3 Si（100）衬底上生长LiNbO₃薄膜

2过渡层晶态对LiNbO₃ 薄膜取向的影响'>2.3.1 SiO₂过渡层晶态对LiNbO₃薄膜取向的影响

2过渡层厚度对LiNbO₃ 薄膜取向的影响'>2.3.2 SiO₂过渡层厚度对LiNbO₃薄膜取向的影响

3 薄膜的表面形貌分析'>2.3.3 Si（100）衬底上LiNbO₃薄膜的表面形貌分析

3 薄膜'>2.4 Si（111）衬底上生长LiNbO₃薄膜

2过渡层晶态对LiNbO₃ 薄膜取向的影响'>2.4.1 SiO₂过渡层晶态对LiNbO₃薄膜取向的影响

2过渡层厚度对LiNbO₃ 薄膜取向的影响'>2.4.2 SiO₂过渡层厚度对LiNbO₃薄膜取向的影响

3 薄膜的表面形貌分析'>2.4.3 Si（111）衬底上LiNbO₃薄膜的表面形貌分析

2.5 本章小结

3薄膜的制备与磁性'>第三章 Fe、Co、Ni 掺杂LiNbO₃薄膜的制备与磁性

3.1 实验方法

3 薄膜的结构与磁性分析'>3.2 Fe 掺杂LiNbO₃薄膜的结构与磁性分析

3 薄膜的XRD 分析'>3.2.1 Fe 掺杂LiNbO₃ 薄膜的XRD 分析

3 薄膜的XPS 和XAS 分析'>3.2.2 Fe 掺杂LiNbO₃ 薄膜的XPS 和XAS 分析

3 薄膜的XAFS 分析'>3.2.3 Fe 掺杂LiNbO₃ 薄膜的XAFS 分析

3 薄膜的磁性分析'>3.2.4 Fe 掺杂LiNbO₃薄膜的磁性分析

3 薄膜的结构和磁性分析'>3.3 Co 掺杂LiNbO₃薄膜的结构和磁性分析

3 薄膜的XRD 分析'>3.3.1 Co 掺杂LiNbO₃ 薄膜的XRD 分析

3 薄膜的XPS 和XAS 分析'>3.3.2 Co 掺杂LiNbO₃ 薄膜的XPS 和XAS 分析

3 薄膜的XAFS 分析'>3.3.3 Co 掺杂LiNbO₃ 薄膜的XAFS 分析

3 薄膜的磁性分析'>3.3.4 Co 掺杂LiNbO₃薄膜的磁性分析

3 薄膜的结构和磁性分析'>3.4 Ni 掺杂LiNbO₃薄膜的结构和磁性分析

3 薄膜的XRD 分析'>3.4.1 Ni 掺杂LiNbO₃ 薄膜的XRD 分析

3 薄膜的XPS 和XAS 分析'>3.4.2 Ni 掺杂LiNbO₃ 薄膜的XPS 和XAS 分析

3 薄膜的XAFS 分析'>3.4.3 Ni 掺杂LiNbO₃ 薄膜的XAFS 分析

3 薄膜的磁性分析'>3.4.4 Ni 掺杂LiNbO₃薄膜的磁性分析

3 薄膜的表面形貌分析'>3.5 Fe、Co、Ni 掺杂LiNbO₃薄膜的表面形貌分析

3.6 本章小结

第四章结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢

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