【摘要】：多鐵性磁電材料不僅同時具有鐵電性和鐵磁性,而且還具有磁電耦合效應(yīng),能實(shí)現(xiàn)磁場對電學(xué)性能調(diào)控和電場對磁學(xué)性能調(diào)控,在電子信息功能器件中有廣闊的應(yīng)用前景,引起了廣泛關(guān)注。磁電復(fù)合材料在室溫下表現(xiàn)出顯著的磁電耦合效應(yīng),成為關(guān)注的焦點(diǎn)。相比于塊體磁電復(fù)合材料,磁電復(fù)合薄膜與微電子器件的兼容性更好,以及有利于在原子尺度下去理解磁電效應(yīng),使得磁電復(fù)合薄膜成為磁電材料研究的熱點(diǎn)。異質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁電復(fù)合薄膜的研究仍處于初級階段,高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜的生長控制仍是基礎(chǔ)和關(guān)鍵。制備高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜仍是磁電材料研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。目前,高性能多鐵性磁電復(fù)合薄膜主要為含鉛的磁電復(fù)合體系,考慮到鉛對環(huán)境的影響,尋找高質(zhì)量的無鉛磁電復(fù)合薄膜迫在眉睫。對于BaTiO_3(BTO)基無鉛磁電復(fù)合材料的研究雖然起步較早,但對于高性能的BTO基磁電復(fù)合薄膜研究較少,特別是具有優(yōu)異磁電耦合性能且具有較高居里溫度的BTO基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁電復(fù)合薄膜鮮有報道。本文以摻雜后的BTO基體系為鐵電相,NiFe_2O_4(NFO)作為鐵磁相,采用脈沖激光沉積法(PLD)制備高質(zhì)量的2-2型層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜,構(gòu)建環(huán)境友好型磁電復(fù)合薄膜材料。論文的主要研究工作和結(jié)果如下:1.成功制備了擇優(yōu)取向、性能優(yōu)異的BTO基鐵電薄膜。首先,在A和B位分別使用Ca~(2+)和Zr~(4+)對BTO進(jìn)行替代摻雜,采用PLD在(001)-SRO/STO單晶基片上制備出Ba_(0.85)Ca_(0.15)Ti_(0.9)Zr_(0.1)O_3(BCZT)擇優(yōu)取向的層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)無鉛鐵電薄膜。系統(tǒng)地研究了激光能量、濺射頻率、沉積溫度等沉積參數(shù)對BCZT薄膜性能的影響,優(yōu)化了BCZT薄膜的生長工藝。BCZT薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能,但居里溫度較低。其次,采用Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3(NBT)與BTO體系進(jìn)行復(fù)合,制備了富BTO相的0.8BaTiO_3-0.2Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3(0.8BT 0.2NBT)和0.65BaTiO_3-0.35Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3(0.65BT 0.35NBT)鐵電薄膜。兩種薄膜均表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能和較高的居里溫度,特別是0.8BT 0.2NBT和0.65BT 0.35NBT的剩余極化強(qiáng)度分別達(dá)到P_r~32.4μC/cm~2和P_r~38.1μC/cm~2。引入NBT相是提高BTO基鐵電材料的電學(xué)性能和居里溫度的重要方式之一。2.研究了BTO基磁電復(fù)合薄膜的磁電性能�；诹W(xué)參數(shù)模型對BTO基層狀復(fù)合薄膜的磁電效應(yīng)進(jìn)行理論計算研究,初步判斷鐵磁層和鐵電層的體積接近相等時,磁電性能最好,為構(gòu)建BTO基磁電復(fù)合薄膜提供了指導(dǎo)。然后,采用PLD制備了外延生長的2-2型NFO/BCZT異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜。NFO/BCZT復(fù)合薄膜具有良好的鐵電、壓電、鐵磁性能及優(yōu)異的磁電耦合性能(α_E~93mV·cm~(─1)·Oe~(─1)),NFO/BCZT復(fù)合薄膜為設(shè)計新型多鐵電子器件提供了一種選擇。3.探索了BTO基磁電復(fù)合薄膜磁電性能增強(qiáng)和居里溫度提高的機(jī)制。采用PLD在(001)-SRO/STO單晶基片上制備了具有高居里溫度的NFO/0.8BT 0.2NBT無鉛磁電復(fù)合薄膜。研究了NFO/BTO和NFO/0.8BT 0.2NBT磁電復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌、介電、鐵電、壓電、鐵磁和磁電耦合性能。結(jié)果表明:(1)NFO/0.8BT 0.2NBT磁電復(fù)合薄膜的居里溫度(T_c~232°C)明顯高于NFO/BTO磁電復(fù)合薄膜的居里溫度(T_c~120°C)。具有高居里溫度的NBT(T_c~320°C)相的引入,使BTO基磁電復(fù)合薄膜的居里溫度得到了顯著的提高。(2)NFO/0.8BT 0.2NBT磁電復(fù)合薄膜的鐵電、壓電和磁電耦合性能都優(yōu)于NFO/BTO復(fù)合薄膜。在BTO相中引入NBT相提高了BTO基鐵電材料的鐵電和壓電性能,從而有效地增強(qiáng)了磁電耦合性能。4.研究了沉積順序?qū)TO基2-2型層狀磁電復(fù)合薄膜磁電性能的影響。采用PLD在(001)-SRO/STO單晶基片上制備了不同生長順序的0.65BT 0.35NBT/NFO(以0.65BT 0.35NBT為頂層)和NFO/0.65BT 0.35NBT(以NFO為頂層)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的無鉛磁電復(fù)合薄膜,探索了鐵磁相和鐵電相不同的生長順序?qū)Υ烹娦阅苡绊懙奈锢頇C(jī)制。研究結(jié)果表明:(1)0.65BT 0.35NBT/NFO和NFO/0.65BT 0.35NBT異質(zhì)結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜均表現(xiàn)為沿c軸擇優(yōu)取向外延生長結(jié)構(gòu)。兩種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁電復(fù)合薄膜均表現(xiàn)出良好的介電、鐵電、鐵磁性能,特別是優(yōu)異的鐵電性能(P_r~27.3μC/cm~2,P_r~31.8μC/cm~2)。(2)不同的生長順序NFO有不同的晶格畸變,有較小NFO晶格畸變的NFO/0.65BT 0.35NBT薄膜的磁性矯頑場H_c顯著低于0.65BT 0.35NBT/NFO薄膜的H_c,表明其磁疇更容易翻轉(zhuǎn)。(3)不同的生長順序?qū)Υ烹婑詈闲阅苡忻黠@的影響,NFO/0.65BT 0.35NBT異質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁電耦合性能優(yōu)于0.65BT 0.35NBT/NFO異質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁電耦合性能,這是由于不同的生長順序,NFO受到襯底約束作用不同的結(jié)果。
【學(xué)位授予單位】：貴州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2
【圖文】：

圖 1.1 多鐵性磁電效應(yīng)示意圖（圖摘自參考文獻(xiàn)[2])鐵電材料與鐵磁材料的基本特性電材料的基本特性有鐵電性能的材料被稱之為鐵電材料，鐵電體屬于壓電體[10]。鐵電征是具有自發(fā)極化，即：沒有外加電場時有電極化現(xiàn)象，加電場后電因電場而發(fā)生改變。在眾多晶體中，具有特殊點(diǎn)群的晶體才具有自發(fā)電晶體屬于極性晶體，但自發(fā)極化在外電場下發(fā)生改變的特性不是體都具有的性質(zhì)，只存在于一些特定結(jié)構(gòu)的晶體中。在鐵電晶體中，內(nèi)的電偶極子的排列是不盡相同的，一個小區(qū)域內(nèi)的電偶極子排列是一個區(qū)域內(nèi)的電偶極子排列則有可能與之不同或相反。電偶極子排區(qū)域，被稱之為電疇。鐵電晶體在熱平衡狀態(tài)下（不加電場），每個疇內(nèi)的極化方向是一致的，但每個疇的極化方向是不盡相同（隨機(jī)的

圖 1.2 鐵電體的電滯回線圖沒加電場時，整個晶體的總電偶極矩為零，總體顯電中性。但在外電晶體中的電疇會發(fā)生變化，在小電場強(qiáng)度時，電場力不足以讓所有的向變化，極化方向與電場方向一致的電疇將擴(kuò)大，極化強(qiáng)度 P 將于E 成線性關(guān)系（P 隨 E 的增大而增大），如圖中的 OA 段。當(dāng)電場逐漸一些電疇發(fā)生反轉(zhuǎn)，極化強(qiáng)度迅速增大，如圖中的 AB 段。當(dāng)所有電向都沿電場方向，整個鐵電晶體就變成了單疇晶體，極化強(qiáng)度 P 達(dá)飽和狀態(tài)），即圖中的 BC 段。BC 線的反向延長線(BE 段)與縱軸的化強(qiáng)度即為自發(fā)極化強(qiáng)度（ s）。當(dāng)電場為零時，晶體中由于有部分電場方向，此時的極化強(qiáng)度被稱為剩余極化強(qiáng)度( r)。如果電場反向?qū)⒀?CD 曲線變化，不會馬上變?yōu)榱�。�?dāng)電場強(qiáng)度反向增加時，極化變?yōu)榱�，對�?yīng)圖中的 F 點(diǎn)，此時的電場強(qiáng)度稱為矯頑場（ c）。當(dāng)反增大時，極化強(qiáng)度將沿曲線 FG 變化，而最后可能全部偶極子發(fā)生轉(zhuǎn)

第 1 章 緒論磁材料具有磁滯現(xiàn)象，即在外加磁場過程中鐵磁材料的磁化過程是不可逆化強(qiáng)度隨磁場變化的關(guān)系圖被稱為磁滯回線，是鐵磁材料的重要特征。磁如圖 1.3 所示。未磁化的鐵磁體在外加磁場時，當(dāng)所加磁場較小，磁化強(qiáng)場的增加而增加，如圖中 OA 段。當(dāng)所加磁場逐漸增大，磁化強(qiáng)度將達(dá)到和狀態(tài)，磁化強(qiáng)度不再增大，此時的磁化強(qiáng)度稱為飽和磁化強(qiáng)度（ s）。減小時，而磁化強(qiáng)度的變化并不沿原來的磁化曲線變化，而是沿圖中的變化。當(dāng)外加磁場變?yōu)榱銜r，鐵磁體還具有磁化強(qiáng)度（磁化強(qiáng)度并沒有變?yōu)榱悖�，此時的磁化強(qiáng)度稱為剩余磁化強(qiáng)度（ r）。而當(dāng)鐵磁體所加的向時，隨著反向磁場的增大，磁化強(qiáng)度會變?yōu)榱悖藭r的磁場稱為矯頑場。如果繼續(xù)增大反向磁場，磁化強(qiáng)度會達(dá)到反向飽和狀態(tài)。整個回路EGC 曲線形成磁滯回線。

【參考文獻(xiàn)】

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1 南策文;;多鐵性材料研究進(jìn)展及發(fā)展方向[J];中國科學(xué):技術(shù)科學(xué);2015年04期

2 馬靜;施展;林元華;南策文;;準(zhǔn)2-2型磁電多層復(fù)合材料的磁電性能[J];物理學(xué)報;2009年08期

3 曹鴻霞;張寧;;磁電雙層膜層間耦合的彈性力學(xué)研究[J];物理學(xué)報;2008年05期

4 楊艷;張樹人;劉敬松;張洪偉;劉蒙;;鐵電薄膜漏電流研究現(xiàn)狀[J];絕緣材料;2006年04期

5 周劍平;施展;劉剛;何泓材;南策文;;鐵電/鐵磁1-3型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料磁電性能分析[J];物理學(xué)報;2006年07期

6 盧肖;吳傳貴;張萬里;李言榮;;BST薄膜漏電流溫度特性研究[J];功能材料;2006年01期

7 萬紅,謝立強(qiáng),吳學(xué)忠,劉希從;TbDyFe/PZT層狀復(fù)合材料的磁電效應(yīng)研究[J];物理學(xué)報;2005年08期

8 萬紅,沈仁發(fā),吳學(xué)忠;對稱磁電層合板磁電轉(zhuǎn)換效應(yīng)理論研究[J];物理學(xué)報;2005年03期

9 陳傳忠,包全合,姚書山,雷廷權(quán);脈沖激光沉積技術(shù)及其應(yīng)用[J];激光技術(shù);2003年05期

10 沈效農(nóng),王弘;鐵電薄膜導(dǎo)電過程與機(jī)理[J];功能材料;1996年04期

本文編號：2777301