【摘要】：用磁致伸縮材料與壓電材料制備的復(fù)合磁電材料可應(yīng)用于諧振器、濾波器、回轉(zhuǎn)器、高密度存貯器等�；诖�-力-電耦合效應(yīng)的磁電器件同時還對弱磁場敏感,在磁場檢測以及能量回收領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。磁致伸縮材料是磁電器件的一個重要組分。與稀土磁致伸縮材料相比,Fe-Ga具有較低的偏置磁場與良好的磁彈性能,在磁電領(lǐng)域受到了一定的關(guān)注。本文針對Fe-Ga薄膜在磁電器件中的應(yīng)用,用磁控濺射制備了Fe-Ga/PZT與Fe-Ga/AlN/Mo/Si兩種磁電器件,研究了Fe-Ga薄膜的物性與器件磁電系數(shù)間的相關(guān)性,旨在優(yōu)化Fe-Ga磁致伸縮薄膜的性能,提高器件的磁電系數(shù)并降低偏置磁場。此工作對磁電器件的開發(fā)與應(yīng)用有一定的意義。本文首先實驗證實了器件的磁電系數(shù)αME與薄膜的微分磁彈系數(shù)(db/dH)存在線性相關(guān)性,提出了基于薄膜微分磁彈系數(shù)來計算磁電系數(shù)的半經(jīng)驗公式。同時研究了不同Si襯底、不同緩沖層及不同濺射參數(shù)下的Fe-Ga薄膜,找到了最佳沉積參數(shù)。實驗還發(fā)現(xiàn)Ti和Mo緩沖層在不影響薄膜磁彈性的同時可改善熱處理時薄膜與基體的結(jié)合,并用EBSD觀測到Fe-Ga薄膜晶粒的異常長大。其次本文結(jié)合AlN壓電薄膜設(shè)計了Fe-Ga/AlN/Mo/Si(100)磁電器件,并通過磁場熱處理使得器件具有良好的空間角度分辨率。該器件在共振頻率下,長度方向的磁電系數(shù)為210 V/cm Oe。揭示了面內(nèi)各向異性是使得該器件具有空間角度分辨率的必要條件。最后通過(Fe-Ga/Fe-Ni)多層薄膜替代器件中單一的Fe-Ga磁性膜。利用磁性層之間的交換耦合改變薄膜磁疇的寬度,降低磁滯損耗,并且提高薄膜整體的壓磁系數(shù),有效地降低偏置磁場。(8 nm Fe-Ga/8 nm Fe-Ni)30/AlN/Mo/Si磁電器件在4 Oe的偏置磁場下,磁電系數(shù)可到607 V/cm Oe。處于磁交換耦合范圍內(nèi)的(8 nm Fe-Ga/8 nm Fe-Ni)30薄膜具有高微分磁彈系數(shù)(0.32 MPa/Oe)與高壓磁系數(shù)(8.1 ppm/Oe),可以用于制備磁電器件及驅(qū)動器等微電子機械系統(tǒng)。
【圖文】：

化強度還可以產(chǎn)生電極化強度（正磁電效應(yīng)），反過來在電場中也可以產(chǎn)生電逡逑極化強度和磁化強度（逆磁電效應(yīng)）［ｕ］。目前研究的磁電材料主要分為三種，逡逑如圖２－１所示曑。逡逑磁電材料逡逑Ｉ逡逑邐Ｉ邐Ｉ邐邐逡逑單相磁電材料邐多相復(fù)合磁電材料逡逑Ｉ邐丁逡逑邐Ｉ邐Ｉ邐邋邐邐逡逑純單相材料邐由鐵磁相和鐵電相逡逑單相固溶體逡逑如ＢｉＦｅ０３，邐Ｃｒ２０３等邐相對獨立兩相組成逡逑圖２－１磁電材料的分類逡逑純單相磁電材料的典型代表是Ｃｒ２０３與ＢｉＦｅ０３，這兩種材料同時具有鐵逡逑磁性和鐵電性［５＿７］。根據(jù)熱力學(xué)和對稱性理論，在自旋有序的磁性物質(zhì)內(nèi)，可逡逑能存在磁電效應(yīng)。Ａｓｔｒｏｖ、Ｒａｄｏ與Ｆｏｌｅｎ在反鐵磁體Ｃｒ２0３單晶中相繼觀察逡逑到了電致磁電效應(yīng)與磁致磁電效應(yīng)［５，８，９］。此后，研宄者們又在很多具有特殊逡逑晶體對稱性的反鐵磁物質(zhì)內(nèi)觀察到磁電效應(yīng)［１１近年來單相磁電材料的研究逡逑集中在ＢｉＦｅ０３薄膜方面。Ｒａｍｅｓｈ等、南策文等、劉俊明等及程晉榮等對逡逑ＢｉＦｅ０３結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、微波介電性、元素摻雜對多鐵性的影響以及理論計算等逡逑進行了大量的研究［１１＿１６１。對于單相磁電材料而言，磁電耦合主要來源于作為逡逑微擾的外磁場或者外部電場，，由對稱交換作用、偶極子相互作用、反對稱交逡逑換作用，以及塞曼能量所決定。單相磁電材料的研究闡明了耦合效應(yīng)內(nèi)在的逡逑物理機制

逑器件在實空間坐標系下三個方向都可以檢測到磁電信號［４４］，可以用來制作３Ｄ逡逑場傳感器。經(jīng)過改進的磁電器件減小了阻尼，如圖２－２中，磁電系數(shù)提高到逡逑１８００邋Ｖ／ｃｍ邋Ｏｅ。經(jīng)進一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，磁電系數(shù)達５０００邋Ｖ／ｃｍ邋Ｏｅ，如圖２－２逡逑右，該器件有望應(yīng)用于腦磁圖和心磁圖的掃描技術(shù)。逡逑｜卿二《■八八－”一邐…\l隊邐邋？逡逑ｒ邋－逡逑４０邐－４０邐－２０邐０邐２０邐４０邐？０逡逑ＨＪＯ＊）逡逑圖２－２邋ＦｅＣｏＳｉＢ／ＡＩＮ磁電器件及其性能優(yōu)化ｌ４Ｗ６ｌ逡逑磁電材料的研宄也逐漸將器件設(shè)計與應(yīng)用相結(jié)合。如Ｃｈｏｕｄｈａｒｙ等ｔ４７］在逡逑柔性襯底上制備ＰＭＮ－ＰＴ／ＣＮＴ／ＰＶＤＦ器件，實現(xiàn)了邋４邋Ｖ、３０邋ｎＡ能量回收。逡逑董蜀湘等［１９］用激光沉積在ＦｅＢＳｉ非晶襯底上制備了［０１１］取向高壓電系數(shù)的逡逑Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）０３－ＰｂＴｉ０３壓電纖維，該器件的磁電系數(shù)高達７０００Ｖ／ｃｍＯｅ，磁場逡逑分辨率可到ｌＯ＾Ｔ。高原文等［４８＇５（）１通過理論計算與器件設(shè)計，用ＰＺＴ和逡逑Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ制備了用于能量回收的磁電器件，磁電系數(shù)達到約３００邋Ｖ／ｃｍ邋Ｏｅ。逡逑李平等［５１＿５３］用ＦｅＣｕＮｂＳｉＢ／Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ復(fù)合磁致伸縮材料來降低偏置磁場并設(shè)逡逑計了能量回收器件，回收功率達４邋ｍＷ／ｇ。上述的磁電器件具有固定的共振頻逡逑率
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2

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本文編號：2601325