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研究生:許晉章
研究生(外文):Jing-Chang Hsu
論文名稱:鐵酸鉍薄膜濺鍍製程開發與特性研究
論文名稱(外文):The Fabrication and Characteristics Investigation of Bismuth Ferrite Thin Film by Sputtering.
指導教授:廖洺漢
口試委員:李敏鴻張書通
口試日期:2019-05-29
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:機械工程學研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2019
畢業學年度:107
語文別:中文
論文頁數:54
中文關鍵詞:磁控式濺鍍沉積技術鐵電性材料多鐵性材料鈦酸鋇鐵酸鉍極化現象層間耦合磁電耦合
DOI:10.6342/NTU201900750
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本論文利用磁控式濺鍍沉積技術,開發同時具備鐵電性與反鐵磁性的多鐵性材料鐵酸鋇薄膜製程,比較退火溫度與退火環境對鐵酸鉍薄膜的晶體結構、電性的影響。接著從其中挑選出最佳的製程,與本實驗室所製備之鐵電性鈦酸鋇薄膜整合成雙層鈦酸鋇/鐵酸鉍複合薄膜,將反鐵磁性薄膜與鐵電性薄膜結合,同時施加磁場與電場量測極化量,研究磁電耦合現象。並製備五種不同比例的雙層薄膜,除了了解層間耦合對薄膜特性的影響外,也研究在怎樣的厚度比例下,有最佳的電性。
量測結果單層鐵酸鉍的表現並不好,漏電流約在10-1~10-2安培之間,電容則是量測不到結果,而極化量的部分也因為介電特性不佳導致圖形呈現橢圓球狀。但製備成雙層結構後,由於層間耦合的關係,大幅提升了薄膜電容的電性,漏電流最低可降至10-6~10-7安培之間,電容值約在6x10-9法拉,而極化量最大可達4 μC/cm2。而磁電耦合的量測顯示磁場對此次實驗所製備的薄膜沒有任何影響,與我們鐵酸鉍的反鐵磁性相符合。
In this thesis, we use radio frequency magnetron sputtering deposition technique to fabricate a multiferroic material, Bismuth ferrite(BFO), which possesses ferroelectric and anti-ferromagnetic property in the same time. We deposit BFO samples at the same temperature but anneal them at different temperature and in different atmosphere to find if there are some differences in crystal structure and electric properties. Then we choose the best of all to integrate with Barium titanate into a bilayer thin film. The combination of BTO and BFO is to learn the magneto-electric effect between ferroelectric and anti-ferromagnetic materials. In addition, we fabricate 5 different thickness ratio of the BTO/BFO bilayer to find out at which ratio will the best electric characteristic occur.
According to results, the performance of Bismuth ferrite single layers is not good, the leakage current is about 10-1~10-2 ampere, the P-E loops look like a oval ball because of poor dielectric property, and worst of all, we cannot even measure the capacitance property. But everything changes in BTO/BFO bilayer structures due to the interlayer coupling effect. First, the leakage current plummets to 10-6~10-7 ampere. Second, the capacitance becomes measureable and the value is about 6x10-9 farad. Third, the maximum polarization is up to 4 μC/cm2. It’s a tremendous progress from BFO single layer to BTO/BFO bilayer. What disappoints us is that the magneto-electric measurements show that the applied magnetic field has no effect on our samples.
目錄
國立臺灣大學碩(博)士學位論文切結書 I
致謝 II
摘要 III
ABSTRACT IV
目錄 V
圖目錄 VII
表目錄 X
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究背景與動機 2
1.3 論文架構 4
第二章 文獻回顧與理論基礎 5
2.1晶體 5
2.2 鐵電材料 8
2.2 鐵磁材料[35] 8
2.4 鐵酸鉍介紹 10
2.5 遲滯曲線圖形與軸之關係[26] 14
2.6 薄膜成長機制 15
第三章 實驗方法與步驟 17
3.1 實驗流程設計 17
3.2 準備動作 19
3.3 鐵酸鉍薄膜製備 21
3.4 複合薄膜製備 24
3.5 實驗量測儀器架設 28
第四章 量測特性結果與討論 33
4.1 單層鐵酸鉍薄膜量測 33
4.1.1單層鐵酸鉍載溫(300K)不同退火溫度(未通氧) 34
4.1.2 單層鐵酸鉍載溫(300K)不同退火溫度(通氧) 36
4.1.3 單層鐵酸鉍薄膜有無通氧退火比較 38
4.2雙層BTO/BFO薄膜量測 41
4.3 磁電特性量測 44
4.3.1 外加磁場量測P-E loop 44
4.3.2外加電流量測MOKE 48
第五章 總結 50
參考文獻 51
圖目錄
圖 1 - 1 MRAM簡易結構圖[34] 2
圖 1 - 2 材料與(多)鐵性體的關係[1] 3
圖 1 - 3 多鐵性體中的相態控制與不同領域之相互影響關係[2] 3
圖 2 - 1 (a)非晶體(b)多晶體(c)單晶體 6
圖 2 - 2 晶體中七大晶系及其中晶格常數與軸夾角的關係 7
圖 2 - 3 理想遲滯曲線圖 8
圖 2 - 4 鐵酸鉍菱方結構[5][6] 10
圖 2 - 5 G-type反鐵磁結構[11] 11
圖 2 - 6 (a)Heron磁電耦合特性量測結構(b)施加電壓前後CoFe層的磁場方向變化[25] 12
圖 2 - 7 BFO之遲滯曲線[26] 13
圖 2 - 8 BTO之遲滯曲線[26] 13
圖 2 - 9 BTO/BFO複合薄膜的遲滯曲線圖,左上小圖為BFO與BTO/BFO之比較,右下小圖為BTO與BTO/BFO之比較[26] 14
圖 2 - 10 遲滯曲線儲能示意圖[26] 15
圖 2 - 11 (a)層狀生長模式(b)島狀生長模式(c)島狀/層狀生長模式 16
圖 3 - 1 實驗流程設計圖 17
圖 3 - 2 單層鐵酸鉍薄膜結構與厚度 18
圖 3 - 3 雙層鈦酸鋇/鐵酸鉍薄膜結構與厚度 19
圖 3 - 4 單層鐵酸鉍薄膜之製程流程圖 24
圖 3 - 5 雙層複合薄膜之製程流程圖 27
圖 3 - 6 膜厚量測示意圖 28
圖 3 - 7 XRD繞射分析儀運作方式 30
圖 3 - 8 I-V、CV以及無外加磁場P-E之量測架構 31
圖 3 - 9 外加磁場P-E量測設備簡易示意圖 31
圖 3 - 10 以電磁鐵施加水平與垂直磁場量測示意圖 31
圖 3 - 11 左方為MOKE量測示意圖,右方為磁易軸與磁難軸的量測結果示意圖[32] 32
圖 4 - 1 鐵酸鉍濺鍍鍍率 33
圖 4 - 2 鐵酸鉍薄膜不同退火溫度未加氧的XRD光譜 34
圖 4 - 3 鐵酸鉍薄膜不同退火溫度未加氧的I-V 曲線圖 34
圖 4 - 4 鐵酸鉍薄膜不同退火溫度未加氧的C-V曲線圖 35
圖 4 - 5 鐵酸鉍薄膜不同退火溫度未加氧的P-E loop 35
圖 4 - 6 鐵酸鉍薄膜不同退火溫度加氧的XRD光譜 36
圖 4 - 7 鐵酸鉍薄膜不同退火溫度加氧的I-V曲線 36
圖 4 - 8 鐵酸鉍薄膜不同退火溫度加氧的C-V曲線 37
圖 4 - 9 鐵酸鉍薄膜不同退火溫度加氧的P-E loop 37
圖 4 - 10 鐵酸鉍薄膜RTA550oC有無通氧退火XRD比較 38
圖 4 - 11 鐵酸鉍薄膜RTA550oC有無通氧退火I-V curve比較 38
圖 4 - 12 鐵酸鉍薄膜RTA550oC有無通氧退火C-V curve比較 39
圖 4 - 13 鐵酸鉍薄膜RTA550oC有無通氧退火P-E loop比較 39
圖 4 - 14 雙層BTO/BFO薄膜不同比例之XRD光譜 41
圖 4 - 15 雙層BTO/BFO薄膜不同比例之I-V曲線 41
圖 4 - 16 雙層BTO/BFO薄膜不同比例之C-V曲線 42
圖 4 - 17 BTO/BFO_150nm/150nm之C-V曲線 42
圖 4 - 18 BTO/BFO_150nm/225nm之C-V曲線 43
圖 4 - 19 雙層BTO/BFO薄膜不同比例之P-E loop 43
圖 4 - 20 單層BFO薄膜無外加磁場之P-E curve 45
圖 4 - 21 單層BFO薄膜外加水平磁場之 P-E curve 45
圖 4 - 22 單層BFO薄膜外加垂直磁場之P-E curve 46
圖 4 - 23 雙層BTO/BFO薄膜無外加磁場之P-E curve 46
圖 4 - 24 雙層BTO/BFO薄膜外加水平磁場之P-E curve 47
圖 4 - 25 雙層BTO/BFO薄膜外加垂直磁場之P-E curve 47
圖 4 - 26 單層BFO薄膜MOKE量測圖 48
圖 4 - 27 雙層BTO/BFO薄膜MOKE量測圖 48



表目錄
表 3 - 1 六吋矽晶圓規格表 19
表 3 - 2 鐵酸鉍薄膜之濺鍍製程條件 22
表 3 - 3 鐵酸鉍薄膜之熱處理製程條件 23
表 3 - 4 具雙層鈦酸鋇/鐵酸鉍薄膜之製程條件 25
表 3 - 5 雙層鈦酸鋇/鐵酸鉍薄膜之退火條件 26
參考文獻
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