非化学计量比钛酸锶的微结构及多功能电磁性能研究

As the microelectronic device size becomes smaller, one promising tendency to achieve multifunctional device in future is using multiferroics materials. In recent years, the regulation of the structure and electromagnetic properties of nonstoichiometric SrTiO3 has been given close concern. To induce both the ferroelectric and magnetic in paraelectric materials, this program selects quantum paraelectrics SrTiO3 as the main object, uses some preparation means, such as changing chemical composition and annealing treatment under different atmosphere, and systematically regulates the variation of Sr/Ti ratio and oxygen content; we will improve its electromagnetic properties by further adulterating magnetic ion, and prepare single-phase multiferroic SrTiO3, which possesses both ferroelectric and ferromagnetic properties at room temperature. In order to achieve the purpose of regulating material properties, it is necessary to clarify among the concentration, existence, correlation of defects, the excitation conditions (such as external electric field, magnetic field, temperature, etc) and the electromagnetic properties of nonstoichiometric SrTiO3. This program aims to analyze and explain the fundamental generation reason of ferroelectric, ferromagnetic and magnetoelectric coupling properties of SrTiO3, and make out of the physical mechanism about the origination of multiferroic, which may pave a way to modify materials and design new materials.

随着微电子器件尺寸不断缩小，利用多铁性材料实现器件的多功能化是今后的发展趋势之一。近年来，非化学计量比SrTiO3的结构和电、磁等性能的调控受到密切关注。为实现在顺电体中诱导出铁电性和磁性，本项目选择量子顺电体SrTiO3为主要研究对象，通过调节化学计量配比和不同气氛后退火等处理手段，综合调控Sr/Ti比例变化和氧含量的变化；并进一步掺入磁性离子提高其电磁性能，制备出同时具有室温铁电和铁磁性的单相多铁材料。澄清缺陷在材料中的浓度、存在方式、关联性以及外部电场、磁场、温度等激励条件与非化学计量比SrTiO3的电磁性能之间的关系，从而达到调控材料性能的目的。本项目旨在分析并解释SiTiO3中铁电、铁磁以及磁电耦合性能产生的根本原因，阐明多铁性形成的物理机制，为材料的改性和新材料的设计提供依据。

随着微电子器件尺寸不断缩小，利用多铁性材料实现器件的多功能化是今后的发展趋势之一。近年来，非化学计量比SrTiO3的结构和电、磁等性能的调控受到密切关注。本项目通过调控Sr/Ti比例，改变SrTiO3的化学计量比，并在此基础上引入磁性离子实现在顺电体SrTiO3中诱导出铁电性和磁性。希望实验结果为材料的改性和新材料的设计提供依据。.本项目重点关注了非化学计量比SrTiO3在Pr、Fe等离子掺杂影响下的结构、介电、铁电和磁性等性能的变化规律。取得的关键科学数据如下：.1.系统研究了Pr-Fe共掺杂Sr0.975Pr0.025Ti1-xFexO3（x = 0.1, 0.2和0.3）薄膜的结构，漏电流，介电、铁电和磁学性能。我们发现随着 Fe 含量的增加，电模M 的虚部向低温移动并表现出不同的弛豫过程，通过详细分析认为它们与氧空位、极性纳米微区和相变有关。更重要的是，室温铁电和铁磁性能在SrTiO3薄膜中被成功观测到。这项工作提供了一种实现在顺电材料中诱导多铁性的有效方法。.2.系统研究了非化学计量比对SrTiO3薄膜结构和电学性能的影响。通过调控Ti含量，发现非化学计量比SrTiO3薄膜表现出了室温铁电极化性质，分析认为是由Ti的反位缺陷和样品的晶格结构变化引起的。.3.为了消除衬底的影响，系统研究了 SrTi1+xO3（x=-0.06，-0.03，0，0.03 和 0.06）陶瓷的结构，介电，漏电流和铁电性。同样成功实现了SrTiO3陶瓷的室温铁电性。进一步测量变温介电性能，发现过量Ti和过量Sr两种情况下会引起两种不同的介电弛豫过程，分析认为这与极性纳米微区和偶极效应相关的可变程跳跃行为相关。.4.系统研究了Fe掺杂非化学计量比SrTiO3陶瓷的结构、介电、铁电和铁磁性能。P-E铁电回线、M-H铁磁回线和磁介电测试结果显示样品的室温多铁性被成功获得。经过详细分析：铁电性起源于晶格畸变和Ti离子反位缺陷。铁磁性起源于Fe离子间的双交换、超交换和非线性交换耦合之间的竞争。另外，第一性原理计算也证实了铁磁性来源于Fe离子之间的交换相互作用。.在本项目的资助下，本人以第一作者身份发表论文6篇，合作作者的身份发表论文9篇，授权专利4项。