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研究生: 賴至緯
Lai, Chih-Wei
論文名稱: 鐵酸鉍的合成機制以及介電行為
Formation mechanism and dielectric behavior of bismuth ferrite
指導教授: 方滄澤
Fang, Tsang-Tse
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 材料科學及工程學系
Department of Materials Science and Engineering
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 99
中文關鍵詞: BiFeO3複鐵材料電滯曲線漏電流
外文關鍵詞: BiFeO3, multiferroic materials, hysteresis loop, leakage current
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  • BiFeO3(簡稱BFO)為一個非常有潛力的複鐵材料,在室溫下同時具有
    鐵電性以及反鐵磁性,但有很多困難需要克服,例如雜相、巨大的漏電
    流等。文獻指出其無法量測到較佳的電滯曲線是因為其過大的漏電流。
    本實驗利用濕式化學法製作出單相的BFO 粉末,並藉由製程參數的
    改變,以及發展厚膜製程,以期改善其漏電流以及鐵電行為。另外也比
    較了三種不同計量比的BFO,來探討其雜相生成的機制。在不同頻率以
    及電場下量測電滯曲線,可以看到有不同的結果。

    BiFeO3 (BFO) is a potential material in the multiferroic materials. It exhibits ferroelectric ordering and antiferromagnetic ordering at room temperature. But there are many problems to overcome, such as second phase
    and large leakage current. In the previous study by other reseachers point out that the poor hysteresis loop is due to the large leakage current.In this study, we present a simple wet chemical route for obtaining single phase BiFeO3 powders.The influence on leakage current and ferrocelectric
    behavior by changing process parameter.Moreover ,we compare BFO by three different stoichiometric to discuss the formation mechenism of the second phase.We can see the different results by measuring P-E curve in different frequency and electric field.

    目錄 摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 V 表目錄 VIII 圖目錄 IX 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機與方向 2 第二章 理論基礎及文獻回顧 3 2-1 鐵電材料 3 2-1-1 鐵電材料的相變化 7 2-2 磁性材料5-7 8 2-2-1 磁滯曲線 13 2-3 介電與極化機制 14 2-3-1 介電現象 14 2-3-2 極化機制以及頻率特性10 14 2-4 金屬-絕緣介面導電機制(MIM systems) 17 2-5 BiFeO3的晶體結構 20 2-6 BiFeO3的相圖 24 2-7 BiFeO3的鐵電性 25 2-7-1 BiFeO3塊材的鐵電性 25 2-7-2 BiFeO3薄膜的鐵電性 25 2-8 BiFeO3的磁性 28 第三章 實驗方法與步驟 29 3-1 實驗重點 29 3-1-1 實驗藥品 29 3-1-2 實驗設備 30 3-2 BiFeO3 粉末製備方法 32 3-2-1 定量試驗 32 3-2-2 Precursor: 32 3-2-3 粉末製備 33 3-3 BiFeO3 厚膜製備 34 3-3-1 電性基板與上電極之製作 34 3-3-2 混和溶液調配 35 3-3-3 旋轉塗佈法成膜 35 3-4 BiFeO3 塊材製備 36 3-5 SEM粉末樣品製備 36 3-6 TEM粉末樣品製備 36 3-7 密度量測 37 3-8 實驗流程圖 38 3-8-1 定量試驗流程圖 38 3-8-2 BiFeO3粉末製程流程圖 39 3-8-3 BiFeO3厚膜製備流程圖 40 3-8-4 BiFeO3塊材製備流程圖 41 3-9 分析儀器 42 3-9-1 X光粉末繞射儀25 42 3-9-2 TEM 成像原理簡介27-28 44 3-9-3 掃描式電子顯微鏡(SEM) 53 3-9-4 電滯曲線量測所用儀器 53 3-9-5 漏電流量測所用儀器 53 第四章 結果與討論 54 4-1 雜相生成探討 54 4-1-1 Bi:Fe =1.02:1之XRD結構分析 54 4-1-2 Bi:Fe =1:1之XRD結構分析 56 4-1-3 Bi:Fe =0.98:1之XRD結構分析 58 4-1-4 TEM分析 60 4-2 製作塊材所用粉末分析 65 4-2-1 XRD分析 65 4-2-2 SEM顯微結構分析 66 4-3 BiFeO3 塊材分析 68 4-3-1 緻密度 68 4-3-2 XRD分析 68 4-3-3 電滯曲線分析 70 4-3-2 漏電流分析 79 4-4 BiFeO3厚膜分析 81 4-4-1 SEM顯微結構分析 81 4-3-2 電滯曲線分析 84 4-4-2 漏電流分析 92 第五章 結論 94 參考文獻 96 表目錄 表2-1 由第一原理模擬的原子位置及自發極化量14 21 表3-1 實驗用藥品 29 表4-1 為圖4-7(a)中EDS1的位置之EDS分析結果 63 表4-2 為圖4-7(b)中EDS2位置之EDS分析結果 64 表4-3 相對緻密度 68 圖目錄 圖2-1 理想鐵電材料電滯曲線 6 圖2-2 Superexchange示意圖7. 錯誤! 尚未定義書籤。 圖2- 3 各種磁性之磁矩排列關係圖...................................................12 圖2-4 材料極化頻率圖 16 圖2-5 (a) 蕭特基能障;(b) 穿隧效應11-12 19 圖2-6 (a) 塊材BiFeO3的結構,(b) BiFeO3薄膜的結構 21 圖2-7 扭曲的鈣鈦礦結構,晶格為六方最密堆積15 22 圖2-8 BFO六方最密堆積結構,包含了兩個鈣鈦礦BFO16 23 圖2-9 BiFeO3的相圖17 24 圖2-10 Lebeugle, D et al.20 測的BiFeO3塊材自發極化量 26 圖2-11 J. Wang et al.這組人13測的BiFeO3薄膜自發極化量 26 圖2-12 Li.et al.這組人18 測的BiFeO3薄膜自發極化量 27 圖2-13 Kwi Young YUN et al.這組人19 測的BiFeO3薄膜自發極化 量………………………………………………………………………..27 圖2-14 BiFeO3的磁性結構示意圖 28 圖3-1 量測厚膜示意圖 34 圖3-2 定量試驗流程圖 38 圖3-3 BiFeO3粉末製備流程圖 39 圖3-4 BiFeO3厚膜製備流程圖 40 圖3-5 BiFeO3塊材製備流程圖 41 圖3-6 XRD原理示意圖 44 圖3-7 圖中的O點代表直射電子束的位置,G點代表( h k l )晶面繞射電子束的位置(C)圖中的干涉條紋是(A)或是(B)圖中電子束互相干涉的結果,(D)圖則是(E)圖中所有電子束互相干涉的結果 48 圖3-8 HRTEM image在實際應用上的例子 (A) Si在[1 1 0]方向上投影之結果 (B)為(A)圖對應的結構示意圖 (C) 利用圈內的繞射束干涉成像即可得到(A)圖 49 圖3-9 掃描穿透電子顯微鏡結構示意圖 50 圖3-10 入射電子束經過材料散射後產生高角度散射電子和環形偵測器間的關係圖31 51 圖3-11 Ge磊晶成長於Si晶片上,最上層覆蓋非晶形SiO2 (A) 一般的高解析穿透式電子顯微影像HRTEM image (B) 原子序對比影像Z-contrast image 52 圖4-1 BFO102%在各溫度下煆燒的XRD圖 55 圖4-2 BFO102%在各溫度下煆燒的XRD圖 55 圖4-3 BFO 100%在各溫度下煆燒的XRD圖 57 圖4-4 BFO 100%在各溫度下煆燒的XRD圖 57 圖4-5 BFO 98%在各溫度下煆燒的XRD圖 59 圖4-6 BFO 98%在各溫度下煆燒的XRD圖 59 圖4-7 BFO在500℃下煆燒的粉末之TEM (a)明視野像(b)暗視野像 61 圖4-8 為圖4-7(a)DP位置繞射分析的結果 62 圖4-9為圖4-7(a)Hr位置之高分辨影像 62 圖4-10 為圖4-7(a)中EDS1的位置之元素能量強度圖 63 圖4-11為圖4-7(b)中EDS2位置之元素能量強度圖 64 圖4-12 BFO500的XRD圖 65 圖4-13 標準BiFeO3 XRD 繞射圖譜( PDF# 20-0169) 66 圖4-14 BFO500 powder的SEM顯微結構圖 67 圖4-15 BFO500 powder的SEM顯微結 67 圖4-16 BFO加補償用Bi2O3粉末在840℃燒結的XRD圖 69 圖4-17 BFO未加補償用Bi2O3粉末在840℃燒結的XRD圖 69 圖4-18 (a) BFO加補償用Bi2O3粉末在電壓1500V下,各種頻率的室溫電滯曲線 72 圖4-18(b) BFO加補償用Bi2O3粉末在電壓1800V下,各種頻率的室溫電滯曲線 72 圖4-18(c) BFO加補償用Bi2O3粉末在電壓2400V下,各種頻率的室溫電滯曲線 73 圖4-18(d) BFO加補償用Bi2O3粉末在電壓3200V下,各種頻率的室溫電滯曲線 73 圖4-18(e) BFO加補償用Bi2O3粉末在電壓3400V下,各種頻率的室溫電滯曲線 74 圖4-18(f) BFO加補償用Bi2O3粉末的Pr、Pmax對電場作圖 74 圖4-19 (a) BFO未加補償用Bi2O3粉末在電壓1500V下,各種頻率的室溫電滯曲線 75 圖4-19(b) BFO未加補償用Bi2O3粉末在電壓1800V下,各種頻率的室溫電滯曲線 75 圖4-19(c) BFO未加補償用Bi2O3粉末在電壓2400V下,各種頻率的室溫電滯曲線 76 圖4-19(d) BFO未加補償用Bi2O3粉末在電壓3200V下,各種頻率的室溫電滯曲線 76 圖4-19(e) BFO未加補償用Bi2O3粉末在電壓3400V下,各種頻率的室溫電滯曲線 77 圖4-19(f) BFO未加補償用Bi2O3粉末在電壓3900V下,各種頻率的室溫電滯曲線 77 圖4-19(g) BFO未加補償用Bi2O3粉末的Pr、Pmax對電場作圖 78 圖4-20 BFO加補償用Bi2O3粉末的漏電流log(J)-log(E)量測圖 80 圖4-21 BFO未加補償用Bi2O3粉末的漏電流log(J)-log(E)量測圖 80 圖4-22 500℃煆燒粉末厚膜的SEM圖 82 圖4-23 500℃煆燒粉末厚膜的橫截面之SEM圖 82 圖4-24 840℃煆燒粉末厚膜的SEM圖 83 圖4-25 840℃煆燒粉末厚膜的橫截面之SEM圖 83 圖4-26(a) 500℃煆燒粉末的厚膜800V,各種頻率的室溫電滯曲線 86 圖4-26(b) 500℃煆燒粉末的厚膜900V,各種頻率的室溫電滯曲線 86 圖4-26(c) 500℃煆燒粉末的厚膜1000,各種頻率的室溫電滯曲線 87 圖4-26(d) 500℃煆燒粉末的厚膜1300V,各種頻率的室溫電滯曲線 87 圖4-26(e) 500℃煆燒粉末的厚膜Pr、Pmax對電場作圖 88 圖4-26(f) 500℃煆燒粉末的厚膜Ec、Pmax對電場作圖 88 圖4-26(a) 840℃煆燒粉末的厚膜1000V,各種頻率的室溫電滯曲線 89 圖4-27(b) 840℃煆燒粉末的厚膜1100V,各種頻率的室溫電滯曲線 89 圖4-27(c) 840℃煆燒粉末的厚膜1200V,各種頻率的室溫電滯曲線 90 圖4-27(d) 840℃煆燒粉末的厚膜1300V,各種頻率的室溫電滯曲線 90 圖4-27(e) 840℃煆燒粉末的厚膜Pr、Pmax對電場作圖 91 圖4-27(f) 840℃煆燒粉末的厚膜Ec、Pmax對電場作圖 91 圖4-28 500℃煆燒粉末厚膜的漏電流log(J)-log(E)量測圖 93 圖4-29 840℃煆燒粉末厚膜的漏電流log(J)-log(E)量測圖 93

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    下載圖示 校內:2011-08-19公開
    校外:2011-08-19公開
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