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研究生： 戴湘華
Tai, Hsiang-Hua
論文名稱： 鐵酸鉍(100)磊晶薄膜的域壁動態移動
Dynamic motion of domain wall in epitaxial BiFeO3(100) films
指導教授： 陳宜君
Chen, Yi-Chun
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年： 2009
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 90
中文關鍵詞： 活化場 、域壁 、鐵酸鉍
外文關鍵詞： activation field, domain wall, BiFeO3
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    • 在本研究中，以壓電力顯微鏡(Piezoelectric Force Microscopy，PFM)在奈米尺度下定量的探討磊晶鐵酸鉍(BiFeO3，BFO)(100)薄膜在均勻的電域環境中域壁動態移動和觀察電域成長受已存在之域壁影響。同時觀測BFO樣品的表面形貌、水平(in-plane，IP)和垂直(out-of-plane，OP)方向之電域，其IP-PFM與OP-PFM觀測到的條紋狀電域，應為考量鐵電有序、磁電耦合與去極化能後，其本質傾向的穩定分佈狀態。對晶軸方向(100)的磊晶BFO薄膜動態量測結果顯示，電域成長過程主要為活化運動，其反向脈衝的活化場(activation field，α ~ 0.215 ± 0.25 MV/cm)小於正向脈衝的活化場(α ~ 0.367 ± 0.01 MV/cm)。非對稱的活化場說明了薄膜初始狀態喜歡朝下。在域壁上(附近)成長的電域，因為域壁上沒有固定的極化方向，所以電域在域壁上成長較容易。在大電壓下域壁上易產生非易軸(109ﾟ或71ﾟ)翻轉，為使域壁最後達穩定(能量較低狀態)而推動附近域壁，產生電域的形狀也從輻射狀到與類似矩形的形狀，其結果受不同角度之域壁間應力能與靜電能影響。

    In this study, I present a quantitative study of the domain wall motion in epitaxial BiFeO3 (100) films and discuss the domain growth behaviors under the effect of existed domain walls by the piezoresponse force microscopy (PFM). The topography, in-plane (IP) and out-of-plane (OP) components of domains for BFO thin films can be revealed simultaneously. The stripe-like domains formed as normal states by considering ferroelectric ordering, magnetoelectric coupling, and the depolarization energy. A transition of domain growth behaviors from the activated to the nonactivated type was observed when increasing the pulse voltages in BFO (100) films. The activation fields of downward-switched domain growth (~ 0.215 ± 0.25 MV/cm) were lower than those of upward-switched domain growth (~ 0.367 ± 0.01 MV/cm). This asymmetry barrier explains the polarization preference in the as-grown state. Due to the complicated polarization components of the domain wall, new domain is easily to nucleate on the existed domain wall. Under high external voltages, 109ﾟand 71ﾟpolarization switching along crystal hard axis were formed, which is usually accompanied with the distortion of the adjacent domain walls. The domain structures in equilibrium were determined by the strain between domain walls and the electrostatic energy.

    目錄 摘要 ............................................................................................................ I Abstract ...................................................................................................... II 目錄 ....................................................................................................... III 表目錄 ..................................................................................................... V 圖目錄 ..................................................................................................... V 第一章 緒論 ........................................................................................... 1 第二章 文獻回顧 ................................................................................... 4 2.1 多鐵性材料 .............................................................................. 4 2.1.1 多鐵性簡介...................................................................... 4 2.1.2 多鐵性材料基礎理論 ..................................................... 6 2.2 鐵電性基礎理論 ........................................................................ 9 2.3 鐵酸鉍材料 .............................................................................. 13 2.3.1 鐵酸鉍之基本性質 ....................................................... 13 2.3.2 鐵酸鉍電域之文獻回顧 ............................................... 15 2.4 掃描式探針顯微鏡的電域動態研究 ...................................... 19 第三章 實驗方法 ................................................................................. 26 3.1 薄膜之原子力顯微鏡(AFM) ................................................... 26 3.1.1 掃描式態針顯微鏡的原理與架構 ............................... 26 3.1.2 原子力顯微鏡之系統與架構 ....................................... 27 3.1.3 原子力顯微鏡之成像原理 ........................................... 29 3.2 壓電力顯微鏡(PFM) ................................................................ 34 3.3 實驗量測方法 ........................................................................... 37 3.3.1 薄膜電域成長之動態量測 ........................................... 37 3.3.2 不同角度域壁對電域成長之探討 ............................... 40 第四章 實驗結果與討論 ..................................................................... 41 4.1 晶軸方向(100)磊晶鐵酸鉍薄膜中電域動態行為 ................. 43 4.1.1不同正脈衝電壓與時間對域壁移動之影響 ................ 45 4.1.2不同反脈衝電壓與時間對域壁移動之影響 ................ 54 4.2 不同角度域壁對電域成長之影響 .......................................... 62 4.2.1鐵彈性域壁上的電域成長 ............................................ 65 4.2.2BFO(100)薄膜上的不穩定電域成長 ............................. 75 4.2.3不同側向極化分量之域壁上電域成長 ........................ 78 4.2.4不同垂直極化分量之域壁上電域成長 ........................ 80 第五章 結論 ......................................................................................... 84 參考文獻 ............................................................................................... 85 表目錄 表3-1 不同操作模式下的探針選用列表 ........................................... 33 表4.1-1 不同正向脈衝分析所得參數 ................................................ 59 表4.1-2 不同反向脈衝分析所得參數 ................................................ 59 圖目錄 圖 2-1 多鐵性與磁性物質關係圖 ...................................................... 4 圖 2-2 典型鈣鈦礦鐵電陶瓷BTO晶體結構與能量關係圖 ............ 6 圖 2-3 鐵電材料的電滯曲線圖 ......................................................... 11 圖 2-4 鐵酸鉍晶體結構及其極化軸示意圖 .................................... 14 圖 2-5 鐵酸鉍電域結構壓電訊號圖 ................................................ 16 圖 2-6 外加電壓後鐵酸鉍電域結構壓電訊號圖 ............................ 16 圖 2-7 (a)不同頻率下電滯曲線 ....................................................... 14 圖 2-7 (b)BFO薄膜的漏電量及電阻率與外加電壓關係圖 .......... 14 圖 2-7 外加電壓(c)-6 V和(d)+6 V後平行膜面的壓電訊號圖 ..... 17 圖 2-8 71ﾟ域壁翻轉的變化過程 ..................................................... 18 圖 2-9 電域擴散半徑與脈衝時間關係圖 ........................................ 19 圖 2-10 域壁擴散速度與電場倒數之關係圖 .................................... 20 圖 2-11 不同脈衝時間下電域半徑對電壓之關係圖 ........................ 21 圖 2-12 不同脈衝電壓下電域半徑對時間之關係圖 ........................ 22 圖 2-13 不同脈衝時間與相反脈衝電壓電域之PFM圖 .................. 23 圖 2-14 電域半徑與脈衝時間之關係圖 ............................................ 24 圖 2-15 域壁速度和電場倒數之關係圖 ............................................ 25 圖 3-1 原子力顯微鏡系統架構圖 .................................................... 27 圖 3-2 兩原子間距離與相對位能之關係圖 .................................... 29 圖 3-3 Veeco di-CP II原子力顯微鏡 ............................................... 32 圖 3-4 壓電力顯微鏡之示意圖 ........................................................ 34 圖 3-5 四象限光電二極體示意圖 .......................................... 36 圖 3-6 電域成長之動態量測示意圖 ................................................ 38 圖 3-7 電域脈衝量測之IP-PFM示意圖 ............................... 38 圖 3-8 外加DC電壓後電域脈衝量測之示意圖 ..................... 39 圖 3-9 域壁上脈衝量測之IP-PFM示意圖 ........................... 40 圖 3-10 外加DC電壓後域壁脈衝量測之示意圖 ..................... 40 圖 4.1-1 掃描方向與鐵酸鉍結構示意圖 ........................................... 42 圖 4.1-2 IP-PFM顏色分布示意圖 ..................................................... 42 圖 4.1-3 極化易軸與角度翻轉之示意圖 ........................................... 44 圖 4.1-4 遠離域壁施加正向脈衝之PFM圖 ..................................... 45 圖 4.1-5 電域成長過程示意圖 ........................................................... 47 圖 4.1-6 -12 V下電域半徑對脈衝時間作圖 ..................................... 48 圖 4.1-7 -15 V下電域半徑對脈衝時間作圖 ..................................... 49 圖 4.1-8 -20 V下電域半徑對脈衝時間作圖 ..................................... 49 圖 4.1-9 不同正向電壓下電域半徑對脈衝時間作圖 ..................... 50 圖 4.1-10 不同時間下電域半徑對正向脈衝電壓作圖 ..................... 50 圖 4.1-11 正向脈衝電壓下域壁移動速度對電域半徑作圖 ............. 51 圖 4.1-12 大電壓下產生多電域之PFM圖 ....................................... 52 圖 4.1-13 域壁移動速度對電場倒數作圖 ......................................... 53 圖 4.1-14 遠離域壁施加反向脈衝之PFM圖 ................................... 54 圖 4.1-15 16 V下電域半徑對脈衝時間作圖 .................................... 55 圖 4.1-16 20 V下電域半徑對脈衝時間作圖 .................................... 55 圖 4.1-17 不同反向電壓下電域半徑對脈衝時間作圖 ..................... 56 圖 4.1-18 不同時間下電域半徑對反向脈衝電壓作圖 ..................... 57 圖 4.1-19 反向脈衝電壓下域壁移動速度對電域半徑作圖 ............. 57 圖 4.1-20 活化過程之初始時間對脈衝電壓作圖 ............................. 59 圖 4.1-21 活化過程之初始半徑對脈衝電壓作圖 ............................. 60 圖 4.1-22 活化場對不同方向脈衝電壓作圖 ..................................... 61 圖 4.2-1 極化易軸與角度翻轉之示意圖 ........................................... 63 圖 4.2-2 域壁上施加正向脈衝之PFM圖 ......................................... 63 圖 4.2-3 方塊邊緣及內部域壁上施加正向脈衝之PFM圖 ............. 64 圖 4.2-4 施加-12 V，4 s脈衝之PFM圖 .......................................... 65 圖 4.2-5 施加-17 V，1 s脈衝之PFM圖 .......................................... 66 圖 4.2-6 施加-20 V，4 s脈衝之PFM圖 .......................................... 67 圖 4.2-7 施加-12、-16和-20 V，4 s脈衝之PFM圖 ...................... 68 圖 4.2-8 施加-23、-25和-27 V，4 s脈衝之PFM圖 ...................... 69 圖 4.2-9 施加-30和-34 V，4 s脈衝之PFM圖 .............................. 70 圖 4.2-10 71ﾟ域壁上電域成長演變圖 .............................................. 70 圖 4.2-11 樣品A之IP-PFM顏色分布示意圖 ................................. 71 圖 4.2-12 施加-16 V，4 s脈衝之PFM圖及翻轉示意圖 ................ 72 圖 4.2-13 施加-30 V，4 s脈衝之PFM圖及翻轉示意圖 ................ 73 圖 4.2-14 施加-34 V，4 s脈衝之PFM圖及翻轉示意圖 ................ 74 圖 4.2-15 施加-20 V，4 s脈衝之PFM圖及翻轉示意圖 ................ 75 圖 4.2-16 施加-20 V，4 s脈衝之PFM圖 ........................................ 76 圖 4.2-17 施加-24 V，4 s脈衝之PFM圖及翻轉示意圖 ................ 77 圖 4.2-18 施加-26 V，4 s脈衝之PFM圖及翻轉示意圖 ................ 77 圖 4.2-19 施加-10 V，1 ms脈衝之PFM圖 ..................................... 78 圖 4.2-20 在電域中施加+10 V，1 ms脈衝之PFM圖 .................... 79 圖 4.2-21 在電域中施加+10 V，1 ms脈衝之PFM圖 .................... 79 圖 4.2-22 在方塊邊緣施加+10 V，1 ms脈衝之PFM圖 ................ 80 圖 4.2-23 在方塊邊緣施加+10 V，1 ms脈衝之PFM圖 ................ 81 圖 4.2-24 在方塊邊緣施加+10 V，1 ms脈衝之PFM圖 ................ 82 圖 4.2-25 在方塊邊緣施加+10 V，1 ms脈衝之PFM圖 ................ 83

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    下載圖示 校內：2011-07-28公開
    校外：2011-07-28公開
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