氧化鈰、氧化鉍、氧化鐵三種晶種層對鐵酸鉍鐵電薄膜之影響

林宗儒

指導教授 ： 胡塵滌 ； 呂正傑

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/碩士(2012年)

摘要

本實驗使用溶膠凝膠法(Sol-gel method)，製備複鐵式鐵酸鉍(BiFeO3)薄膜。鐵酸鉍薄膜的鐵電與鐵磁性質耦合形成磁電效應，使材料在電能與磁能間轉換，為新興熱門研究，但鐵酸鉍薄膜磁性質較差，當前文獻指出，鐵酸鉍薄膜在室溫下具有較低的漏電流阻抗，使磁電耦合效應遭受限制無法突破。針對於此本論文以植入氧化鈰、氧化鉍、氧化鐵三種不同晶種層，並分別在鐵酸鉍薄膜的下表面、上表面與上下表面均植入晶種層，探討晶種層對於鐵酸鉍複合薄膜結晶性、鐵電性、介電性、漏電流及磁性質之影響。
實驗結果得知，植入適當晶種層可改善鐵酸鉍薄膜在鉑金底電極上不易結晶的問題，可降低鐵酸鉍薄膜結晶溫度；二次離子質譜儀(SIMS)，分析發現植入氧化鈰晶種層於B*FO薄膜及鉑金底電極之間，可避免單獨B*FO薄膜中鉍元素擴散進入底電極。植入氧化鈰晶種層於底層、上表面、三明治結構的複合薄膜皆可將單獨鐵酸鉍薄膜的漏電流降低至少一個次方約為10-8至10-7 A/cm2；電場-電流密度分析，鐵酸鉍及其複合薄膜皆呈現空間電荷限制傳導機制(SCLC mechanism)，植入各晶種層後皆降低單獨B*FO薄膜的轉換電場(Etr，Ohmic conduction→SCLC)及Trap-filled limited電場(ETFL)，應與薄膜中載子濃度及晶粒尺寸有關。複合薄膜電滯曲線中的殘留極化量(2Pr)印證X光繞射推導之結晶優選方向，並將主導各複合薄膜鐵電性質，亦使鐵電性質表現相雷同；複合薄膜的矯頑電場(2Ec)會因鐵電域壁移動受到晶粒尺寸、空間電荷、帶電缺陷限制而改變。低電場量測時，BiOx-B*FO複合薄膜有較高的鐵電極化量2Pr (4.96μC/cm2 at 250kV/cm)，應與BiOx晶種層幫助BFO(110)面成長有關；三明治結構CeO2-B*FO-CeOx複合薄膜由於漏電流相當低，外加電場至700kV/cm，依然有飽和的電滯曲線，使鐵酸鉍複合薄膜鐵電性質明顯展現(15.44μC/cm2)。從介電常數與頻率分析，底層植入氧化鈰、氧化鉍晶種層可使BFO薄膜介電常數增大約兩倍；同時該薄膜具有較低的ETFL電場，推測是空間電荷所造成介電發散特性。植入晶種層後可改善鐵酸鉍薄膜磁性質，CeOx-BFO薄膜平行膜面所量測磁滯曲線中(2kOe)的飽和磁化量(2Ms)高達15.43emu/cm3、殘留磁化量(2Mr)為1.44emu/cm3，推測是Fe2+比例增加及螺旋排列的磁矩間夾角改變，造成淨磁化量增加。Fe2O3-BFO-FeOx薄膜平行膜面量測(2kOe)的飽和磁化量(2Ms)高達103.2emu/cm3、殘留磁化量(2Mr)為5.88emu/cm3，推測因具有α-Fe2O3及氧空缺(Vo..)。

關鍵字

鐵酸鉍 ； 鐵電薄膜 ； 晶種層

參考文獻

[23] 孫海濤, 奈米複合材料PANI/TiO2之電性分析: 中原大學碩士論文, 2007.

[74] 蕭小鳳, 鐵酸鉍、鐵鈰酸鉍及氧化鈰單一及複合薄膜之研究: 清華大學碩士論文, 2011.

[13] M. Ohring, The Materials Science of Thin Films: Academic Press, 1992.

[14] D. Ivanov, M. Caron, L. Ouellet, S. Blain, N. Hendricks, and J. Currie, "STRUCTURAL AND DIELECTRIC-PROPERTIES OF SPIN-ON BARIUM-STRONTIUM TITANATE THIN-FILMS," Journal of Applied Physics, vol. 77, pp. 2666-2671, Mar 1995.

[16] M. A. Lampert, "Simplified Theory of Space-Charge-Limited Currents in an Insulator with Traps," Physical Review, vol. 103, pp. 1648-1656, 1956.