基于BiFeO3和Pb(Zr,Ti)O3铁电纳米点的畴结构研究

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随着大数据时代的来临,人们对低功耗、非易失、高密度的存储器的需求日益增强,纳米尺度的铁电存储器也越来越引起关注。BiFeO3(BFO)和Pb(Zr,Ti)O3(PZT)因其优异的铁电性引得众多研究者的青睐。纳米尺寸BFO和PZT电容器结构在高密度非易失存储器上有重要应用前景,但其畴结构尚未获得很好研究。本工作旨在探索自组装BFO和PZT纳米级电容器的畴结构和性质,以及有序阵列的SrRuO3/BiFeO3/Nb-SrTiO3(SRO/BFO/Nb-STO)纳米点上的畴结构。取得了以下研究成果:  1、我们用脉冲激光沉积法制备了自组装铁电BFO和PZT纳米电容器。每个独立的纳米电容器包含底电极(SrRuO3或者LaSrMnO3)和外延的铁电层以及自组装的导电纳米上电极(Bi2O3或者PbO2)。这些纳米电极的横向尺寸在10-100nm以内,平均尺寸随着薄膜沉积厚度增加而增大。  2、这种自组装的有上电极的纳米电容器存在一种独特“反畴”结构,它们的畴结构与裸露的铁电薄膜的单一的极化方大致相反。我们是认为是相邻两层界面处内建电场不同造成了该现象。  3、另外,自组装上电极建构出的纳米电容器和裸露的薄膜相比,有着更小的矫顽场和更强的压电信号。同时,单个纳米电容器上不同极化方向的读写和擦除性质也很好,并且写入的畴可以长时间保持,这使之有望成为非易失高密度存储器。  4、我们利用脉冲激光沉淀(PLD)和多孔氧化铝模板(AAO)相结合的方法,在掺Nb的STO衬底上制备出尺寸约80nm的SRO/BFO异质结的周期性纳米点阵,形成分立的电容阵列。  5、我们利用压电显微镜,发现这种结构的BFO纳米点在自发状态时有着复杂的畴结构,有单畴、多畴、泡状畴等多种畴结构。通过施加电压,还观测到了泡状畴的形成和消失过程,并探究了其生长规律。研究表明,初始态为单畴和泡状畴的纳米点上畴的面积和施加的有效电压平方成正比,半畴的纳米点上畴的面积和施加的有效电压成正比。  6、在此基础上,我们还用面内压电显微镜矢量法分析了BFO纳米点的复杂面内畴结构,将不同角度的面内畴和竖直方向的面外畴矢量进行了叠加。在纳米点上发现了中心发散畴的拓扑畴以及介于涡旋与中心发散之间的风车状电极化畴。  我们通过对纳米电容器畴结构的研究,发现了纳米畴结构的产生机制及该结构带来的新颖性质。这些纳米结构上畴的可翻转性及稳定性,进一步表明了铁电纳米点结构在高密度信息存储应用方面的巨大潜力。
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