尖晶石CoFe2O4與鈣鈦礦Pb(Zr, Ti)O3積層複合薄膜的多重鐵性與磁電耦合特性研究

Multiferroic and Magnetoelectric Properties of Pb(Zr, Ti)O3/CoFe2O4 Multilayer Composite Thin Films

林睿哲(Ruei-Jer Lin)

指導教授 ： 吳泰伯

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/博士(2008年)

摘要

本實驗利用雙槍磁控濺鍍系統，成功鍍出具有強烈諧合成長(coherent growth)的尖晶石與鈣鈦礦2-2型積層薄膜。
CoFe2O4(CFO)由於表面自由能的關係，容易在Si基板上出現(111)的指向。本實驗利用這個特性，以BaTiO3(BTO)作為起始層，藉由控制CFO與BTO的堆疊週期，可調變BTO與CFO積層薄膜結構的指向。在相同總厚度下，當堆疊週期越高，也就是子層厚度越低的時候，薄膜結構趨向(111)指向。這證明了這兩種材料之間可以克服晶格常數的差異，彼此互相增強結晶性。利用穿透電子顯微鏡，本實驗成功觀察到BTO/CFO之間的諧合成長機制。
除了BTO之外，具有強鐵電性的Pb(Zr0.5Ti0.5)O3(PZT)也與CFO整合在同一個結構中。PZT/CFO/PZT三層結構呈現非常整齊與規律的柱狀晶結構，且改變CFO的厚度並不會造成鐵電性的下降，這是因為CFO的阻值遠比PZT來得小的緣故。然而隨著CFO中間層的變薄，磁性卻下降得很快。這有可能因為PZT與CFO晶格常數差異帶來磁性的劣化。雖然如此，PZT/CFO/PZT仍然具有相當優異的抗漏電行為，以及良好的鐵電性與鐵磁性，是非常適合用來研究磁電耦合現象的結構。
過去，固定鐵電與鐵磁相比例下，學者盡可能的增加兩相的接觸面積，預期可以有較佳的磁電耦合現象。本實驗同樣利用2-2型PZT/CFO積層薄膜，在相同總膜厚下，改變堆疊週期，卻發現鐵電性與鐵磁性隨著堆疊週期的增加而下降。藉由掃描式穿透電子顯微鏡與X光能量色散光譜分析，本實驗發現PZT/CFO結構呈現大的角椎型柱狀晶結構，這樣的結構造成界面形貌的起伏非常大。除此之外，PZT/CFO晶格常數的差異也是可能造成鐵電性與鐵磁性下降的原因。尤有甚者，隨著堆疊週期增加而劣化的鐵電性與鐵磁性，也造成了磁電耦合係數的下降。

關鍵字

磁電耦合 ； 鐵電 ； 磁致伸縮

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