近年來多鐵性材料系列為許多人投入研究的熱門材料，其中以BiFeO3令我們感興趣.，在常溫下可同時具備鐵磁和鐵電特性，材料有較高的居禮溫度Tc大幅增加可應用範圍。
但BiFeO3之缺點在於純相較難以合成，以及材料本身漏電流過大。由文獻指出，摻雜具有穩定Bi元素揮發以及穩定晶格，因此我們選擇了鉛做為參雜的元素，希望藉由摻雜以減少Bi原子周為氧原子的不穩定，減少氧缺陷，並且增加BiFeO3的介電性。
而本實驗室成長選用的底電極材料SrRuO3，成長的獨特性是可以完全成長為Strain relax的薄膜，幾乎不受基板應力影響的底電極，量測結果也發現Strain relax 之 SrRuO3晶格結構趨近於cubic，對於成長的BiFeO3薄膜結構(pseudo-cubic)理論上而言具有較好的晶格匹配性，藉由成長高品質SrRuO3薄膜改善漏電特性。在未來的薄膜製程計畫中是首要工作。

 

In recent years, multiferroics was one of the most popular materials and were widely studied by many scientists. Among all we interested the most is BiFeO3, which exist a room temperature ferromagnetic and ferroelectric properties with high ferromagnetic transition temperature Tc that can provide various kind of applications.
However, the drawback of the BiFeO3 is difficult to synthesize the pure phase and to eliminate the leakage of the current. According to others’ reports, with a proper doping can reduce the evaporation of Bi atoms and stabilize the crystal structure. Therefore, we choose Pb as the mixed elements and wish to reduce the unstable oxygen vacancies around the Bi atoms and to increase the dielectric property of Bi1-xPbxFeO3.
In our experiment, SrRuO3 is chosen as the buffer layer material, which can grow as a strain relaxed film on the substrate. It is found that the strain relaxation transforms the SrRuO3 crystal structure to a nearly cubic one which has a lattice matching with Bi1-xPbxFeO3. As a result of this, we might improve the leakage problems of Bi1-xPbxFeO3.

 

第一章 序論 1
1-1 簡介與動機 1
第二章 理論簡介 2
2-1 X光的繞射方式 2
2-1-1 X-ray單電子散射 3
2-1-2 X-ray 多電子散射及散射因子 5
2-1-3結構因子 6
2-1-4 倒晶格空間 8
2-2 SrRuO3 材料特性簡介 12
2-2-1 SrRuO3晶體結構 12
2-2-2 SrRuO3磁電特性 13
2-3 BiFeO3鐵酸鉍材料特性 14
2-3-1 BiFeO3晶格結構 14
2-3-2 BiFeO3電性質 15
2-3-3 BiFeO3磁性質 16
第三章 實驗方法與儀器介紹 17
3-1 Bi0.9Pb0.1FeO3鈀材製作 17
3-2 磁控射頻濺射鍍膜系統(RF sputtering system) 18
3-3 SrTiO3SrRuO3 Bi0.9Pb0.1FeO3薄膜成長 21
3-4原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM) 24
3-5 X-ray 繞射系統 27
第四章 實驗結果與討論 38
4-1 SrRuO3/SrTiO3 薄膜分析 38
4-2 SrRuO3/SrTiO3 薄膜之鐵磁相變溫度點(Tc)分析 56
4-3 SrTiO3/SrRuO3/Bi0.9Pb0.1FeO3 薄膜分析 59
第五章 結論 72
參考文獻 73


 
圖目錄
圖2-1-4-1 (a)真實空間之晶格點 (b)倒置空間之倒晶格點 8
圖2-1-4-2 直接晶格與倒置晶格空間座標關係圖 10
圖2-1-4-3 二度空間倒置晶格與艾德華球之關係圖……………………………… 11
圖2-2-1-1 SRO 晶體結構示意圖 12
圖2-3-1-1 BiFeO3六方晶格(hexagonal)結構 15
圖2-4-3-2 BiFeO3 六方晶的自旋結構 16
圖3-2-1 正負電流切換示意圖 20
圖3-2-2 磁控濺鍍示意圖 20
圖3-2-3 射頻磁控濺鍍系統示意圖 21
圖3-4-1 AFM 系統架構圖 26
圖3-5-1 XRD機台 2θ-ω scan 之光軸位置圖 28
圖3-5-2 2θ-ω scan 之powder diffraction 圖譜 29
圖3-5-3 ω-2θ scan之 (a)對稱面 (b)非對稱面 30
圖 3-5-4 XRD 2θ-ω 繞射圖形 31
圖3-5-5 ω-2θ scan 對應於倒晶格空間之示意圖 32
圖3-5-6 ω-scan 示意圖 33
圖3-5-7 ω-scan 對應於倒晶格空間之示意圖 34
圖3-5-8 Reciprocal space mapping之示意圖 35
圖3-5-9 Reciprocal space mapping之relax layer示意圖 36
圖3-5-10 Reciprocal space mapping之strain layer示意圖 37
圖4-1-1 SRO薄膜各成長參數之樣品編號表 41
圖4-1-2 SRO薄膜 樣品編號C1之AFM分析圖 42
圖4-1-3 SRO薄膜 樣品編號C2之AFM分析圖 42
圖4-1-4 SRO薄膜 樣品編號C3之AFM分析圖 42
圖4-1-5 SRO薄膜 樣品編號D4之AFM分析圖 43
圖4-1-6 SRO薄膜 樣品編號D4之AFM剖面分析圖 43
圖4-1-7 C1樣品之(a)SRO/STO 磊晶之Rocking Curve分析圖(b)SRO/STO 磊晶之2Theta-omega分析圖 44
圖4-1-8 C2樣品之 (a)SRO/STO 磊晶之Rocking Curve分析圖 (b)SRO/STO 磊晶之2Theta-omega分析圖 44

圖4-1-9 C3樣品之 (a)SRO/STO 磊晶之Rocking Curve分析圖 (b)SRO/STO 磊晶之2Theta-omega分析圖 45
圖4-1-10 D4樣品之(a)SRO/STO 磊晶之Rocking Curve分析圖 (b)SRO/STO 磊晶之2Theta-omega分析圖 45
圖4-1-11 SRO薄膜 樣品編號B1之AFM分析圖 46
圖4-1-12 SRO薄膜 樣品編號B2之AFM分析圖 46
圖4-1-13 SRO薄膜 樣品編號B3之AFM分析圖 47
圖 4-1-14 B1樣品之(a)SRO/STO 磊晶之Rocking Curve分析圖(b)SRO/STO磊晶之2Theta-omega分析圖 48
圖4-1-15 B2樣品之 (a)SRO/STO 磊晶之Rocking Curve分析圖 (b)SRO/STO磊晶之2Theta-omega分析圖 48
圖 4-1-16 B3樣品之 (a)SRO/STO 磊晶之Rocking Curve分析圖 (b)SRO/STO磊晶之2Theta-omega分析圖 49
圖4-1-17 SrRuO3薄膜樣品編號B1之倒晶格空間做圖(RSM) 51
圖4-1-18 SrRuO3薄膜樣品編號B2之倒晶格空間做圖(RSM) 51
圖4-1-19 SrRuO3薄膜樣品編號B3之倒晶格空間做圖(RSM) 52
圖4-1-20 SrRuO3薄膜樣品編號C1之倒晶格空間做圖(RSM) 52
圖4-1-21 SrRuO3薄膜樣品編號C2之倒晶格空間做圖(RSM) 53
圖4-1-22 SrRuO3薄膜樣品編號C3之倒晶格空間做圖(RSM) 53
圖4-1-23 樣品編號D4之倒晶格空間做圖(RSM) 54
圖4-1-24 SrRuO3 薄膜系列之XRD數據分析圖表 55
圖4-2-1 SrRuO3薄膜樣品編B1之R-T數據圖 56
圖4-2-2 SrRuO3薄膜樣品編號B2之R-T數據圖 57
圖4-2-3 SrRuO3薄膜樣品編號B3之R-T數據圖 57
圖4-2-4 SrRuO3薄膜樣品系列之單位晶格體積變化圖表 58
圖4-2-5 SrRuO3薄膜樣品B1,B2,B3系列之單位晶格體積變化圖 58
圖4-3-1 PBFO/SRO/STO薄膜樣品之成長參數表 62
圖4-3-2 XRD分析SRO薄膜在不同成長參數下之結構分析圖 63
圖4-3-3 XRD分析PBFO薄膜在不同成長參數下之結構分析圖 63
圖4-3-4 樣品編號A1之XRD結構分析圖 64
圖4-3-5 樣品編號A2之XRD結構分析圖 64
圖4-3-6 PBF樣品編號A1之AFM分析圖 65
圖4-3-7 PBF樣品編號A2之AFM分析圖 65
圖4-3-8 樣品編號A1之XRD data利用擬合軟體 fitting 圖形 66
圖4-3-9 樣品編號A1之XRD fitting 輸出數據 66
圖4-3-10 樣品編號A2之XRD data利用擬合軟體 fitting 圖形 67
圖4-3-11 樣品編號A2之XRD fitting 輸出數據 67
圖4-3-12 樣品編號A2之倒晶格空間3D俯視圖 68
圖4-3-12 樣品編號A2 之倒晶格空間(103)phase利用擬合軟體 fitting 圖形 68
圖4-3-13 樣品編號A1之倒晶格空間做圖 69
圖4-3-14 樣品編號A2之倒晶格空間做圖 69
圖4-3-15 (a)鈦酸鍶基板STO之繞射圖形 (b)SRO薄膜之繞射圖形 (c)SRO薄膜之繞射圖形 70
圖4-3-16 (a)STO/SRO介面之high resolution影像圖形 71

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