摘要: 氧化物因自身具有的强离子特性、独特的氧离子性和关联的电子效应成为研究和操控新颖物理现象重要的材料体系。多铁性氧化物材料表现出的多样新颖物理现象中的一种，该材料同时具有铁电、(反)铁磁、铁弹等两种或两种以上铁性有序，并且多种序参量之间... 展开 氧化物因自身具有的强离子特性、独特的氧离子性和关联的电子效应成为研究和操控新颖物理现象重要的材料体系。多铁性氧化物材料表现出的多样新颖物理现象中的一种，该材料同时具有铁电、(反)铁磁、铁弹等两种或两种以上铁性有序，并且多种序参量之间存在强的相互耦合作用而产生新的效应。这将成为新型自旋电子器件、磁电器件、高性能信息存储与处理等领域急需的材料。BiFeO3（简称BFO）是目前室温下单相多铁材料的典型代表，有望成为打开多铁材料实际应用的敲门之石，然而 BFO 材料单相合成与制备的困难、大的漏电流、弱的磁电耦合、与其它氧化物材料的集成，以及破解所涉及的物理性能的机理都是急需要解决的问题。考虑到 BFO 材料自身高的铁电和磁极化转变温度以及相关常规物理量（能带宽度、晶格常数、温度系数等）的明确化，本论文选择 BFO 作为研究对象，针对其薄膜制备、多铁性能的改善、以及与具有奇特电、磁特性的钙态矿结构的铁磁锰氧化物(La1?xSrx)MnO3 (LSMO)和新型稀磁半导体ZnCo2O4（ZCO）集成异质结构中所产生的界面效应问题，开展一系列研究，包括研究单相 BFO 陶瓷材料的制备，异质外延薄膜材料的生长以及其结构和铁电、磁性能。研究 BFO 基异质结的制备、结构特点、电输运机制、多铁性能和光响应。详细的研究内容和结果如下： (1)采用固相反应法结合高温快速烧结法制备了纯的单相的Ba、Mn掺杂BFO陶瓷。研究了Ba、Mn掺杂对BFO结构、铁电性能、磁性能的影响。发现Ba、Mn 离子的加入引起 BFO 晶体结构的畸变，陶瓷材料的颗粒尺寸随着掺杂量的增大明显变小，BFO材料的剩余极化和耐电压能力也得到了有效调控，同时其饱和磁化强度、剩余极化和矫顽场也大幅度地增长。 (2)研究了Ba、Mn掺杂BFO陶瓷的铁电和磁性能的起源。发现Ba离子掺杂铁电极化的升高和耐压值的降低归因于大离子半径的Ba2+部分替代了小离子半径的Bi3+，导致材料晶体结构的畸变和氧空位的产生，造成 Fe2+离子的生成，加大了漏电流。Mn 离子加入改变了Bi离子的孤对电子的空间结构，影响了Bi-O共价键，引起Fe3+-O-Fe3+键角的变化，诱导自旋钉扎现象，降低铁电性能。BFO磁性能的改善是因为Ba、Mn离子的加入有利于 Fe2+和 Fe3+离子之间的双交换作用，而且引起 FeO6八面体的倾斜，破坏了Fe–O–Fe键角，引起反铁磁有序的近邻晶面的倾斜角的提高。 (3) 采用脉冲激光沉积的方法（PLD）分别在Si、LaAlO3（LAO）和SrTiO3（STO）基片上生长了Bi0.95Ba0.05FeO3（BBFO1）薄膜和Bi0.9Ba0.1FeO3（BBFO2）薄膜。发现Si基片上的薄膜呈现多晶结构，而LAO和STO基片上薄膜的外延性相继变好，STO基片上的薄膜呈现单晶外延生长。此外，Si基片上薄膜的铁电极化随着Ba含量的增加而明显改善。外延单晶薄膜呈现矩形性良好的铁电性能，表明外延生长降低了薄膜的生长缺陷，展现出材料的本质性能。多晶薄膜的磁各向同性是颗粒团簇磁性的集合体现，并非本征性能，而外延单晶薄膜明显的磁各向异性体现了本质的磁性能。 (4)分别采用磁控溅射（MS）和PLD技术在Si 和ALO基片上生长了ZCO薄膜，研究了结构特征、电输运机制、铁磁起源和光伏效应。发现ZCO/Si异质结具有良好的二极管整流效应，在低压和高压区域异质结的电输运特性分别符合结空间电荷区域的扩散、复合和空间电荷的限制机制；室温铁磁性主要来源于钴离子之间巡游电子的铁磁双交换作用；ZCO薄膜的光电压和光电流正比于激光强度，且光电压随温度的降低而增加，光伏效应主要依赖于异质界面处光生载流子的数量。 (5)采用PLD法生长了BBFO1/LSMO异质结，发现BBFO薄膜呈现出(100)方向的外延生长。异质结在室温下获得了高的剩余极化强度 Pr（约 85μC/cm2）和良好的铁磁性能，薄膜结构关系到其铁电畴类型和漏电流密度大小，影响着薄膜电极化行为。通过分析，界面的耦合作用是该异质结铁电、磁性能改善的主要原因。 (6)采用PLD法制备了BBFO1/ZCO异质结，发现异质结各层保持了单相结构的多晶组织，表面平整、致密。当电压小于5.47V时，异质结的导电机制符合空间电荷限制机制，高于5.76V时，表现为肖特基发射机制。异质结具有明显的交换偏压现象，主要原因是异质结邻近界面处BBFO1薄膜内大约2nm厚度内由于界面效应产生了未被补偿的自旋。异质结对于不同波长的蓝光和绿光，呈现出良好的光伏效应，蓝光的光响应时间明显地快于绿光，而且光电压的峰值受到了光照强度和温度的影响。 收起