杨卫明[1]2003年在《新型层状铁电—铁磁复合材料的合成与表征》文中认为铁电—铁磁复合材料是一种多功能材料，它是由两种单相材料——铁电相与铁磁相材料经一定方法复合而成。铁电—铁磁复合材料的磁电转换功能是通过铁电相与铁磁相的乘积效应来实现的，这种乘积效应即磁电效应(Magnetoelectric Effect)。由于铁电—铁磁复合材料的独特性质，其在微波领域、高压输电线路的电流测量、宽波段磁探测、磁场感应器等领域有着广泛而重要的用途。 为了探索一种新型的铁电—铁磁功能复合材料，本研究选择了叁层类钙钛矿结构的Sr_2KM_3O_(10)(M=Nb，Ta)作为起始层状化合物原料，尝试用热稳定的Fe_3O_4作柱子来支撑该物质。由于Sr_2KM_3O_(10)的结构特征，其正负电荷中心不重合致使其微观结构内部存在自发极化，因此具有铁电性；又因Fe_3O_4是一种众所周知的亚铁磁性物质，如果能把Fe_3O_4插入到Sr_2KM_3O_(10)的层间位置，让它们在纳米尺度上进行复合，势必得到一种新型的铁电—铁磁功能复合材料。 采用固相反应法合成了插层主体材料Sr_2KM_3O_(10)(M=Nb，Ta)，经过强酸酸化得到Sr_2HM_3O_(10)。由于直接与含铁物质进行离子交换得不到Fe_3O_4柱铌酸盐，因此采用分步交换法，先通过有机胺预撑电荷密度大的铌酸盐类钙钛矿层，制备了正丙胺、正丁胺和正己胺柱铌酸盐，使得其层间有较大的空隙，能够允许插层剂(插层客体)离子的进入，再插入含铁的插层剂离子。含铁插层剂采用[Fe_3(OCOCH_3)_7OH·H_2O]NO_3，其多核铁有机聚合阳离子与有机胺一样具有比较大的线度，在离子交换反应中有利于保持钙钛矿层板的稳定。然后，在高温下分解掉有机成分，合成了Fe_2O_3柱铌酸盐；再利用水蒸气饱和了的氢气在500℃下还原Fe_2O_3最终得到Fe_3O_4柱铌酸盐。 研究中，通过化学分析、电子探针(EPMA)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、热分析(TG-DSC)、红外光谱(IR)等分析手段对相应产物进行了表征，并采用rt6000hvs铁电测试系统和横河-35直流磁场磁滞循环扫描仪(YEW-3257)初步研究了Fe_3O_4柱铌酸盐的铁电性及磁性。
聂军武[2]2009年在《CoFe_2O_4-BaTiO_3磁电复合材料的制备及性能研究》文中研究指明磁电耦合效应是由外加电场或外加磁场感应产生的电场感生磁矩效应或磁场感生电矩效应,具有这种磁电耦合效应的铁电磁功能材料被简称为磁电材料。由于磁电材料是在外加磁场强度H的作用下产生电极化强度P或在外加电场作用下产生诱导磁化,因此可以用转换系数α=dP/dH或dH/dP表征磁电效应的大小,由磁场能感生电场能的转换系数αE即磁电耦合系数。由钴铁氧-钛酸钡两相复合而成的磁电材料(简称磁电复合材料)以其具有较大的磁电耦合系数和无铅、容易合成等特点而受到广泛的研究和关注。本文以制备出高性能的CoFe_2O_4-BaTiO_3磁电复合材料为目标,采用化学方法一次性合成CoFe_2O_4和BaTiO_3两相共存的纳米复合粉体,然后采用不同陶瓷烧结技术对粉体进行烧结,分别实现该体系的铁磁相—铁电相的复合。针对以纳米复合粉体为原料制备磁电复合材料的特点,构建了粉体中两相形成共格界面、依附生长的八面体模型,运用此模型解释了由纳米粉体烧制得到高磁电耦合性能的原因;首次设计了块体二次烧结实验方案,通过改变块体微界面研究其对磁电耦合效应的影响;针对二次烧结块体样的磁电耦合系数下降等问题,提出了适合于混相磁电复合材料的电畴与磁畴作用距离模型,并以此对制备磁电陶瓷中的各种问题作出合理的解释。具体内容包括:1.通过改进了的EDTA-柠檬酸溶液络合法合成CoFe_2O_4-BaTiO_3两相不同配比(1 : 4, 1 : 2, 1 : 1)的纳米复合粉体,研究不同温度下处理的粉体其形貌、粒径和两相界面共生机制等问题,应用改进的普通烧结方法,在1180°C/2h条件下对900°C粉体进行烧结,制得了磁电耦合系数最高值为680μV/Oe·cm的磁电复合材料,分析表明是该中铁磁相含量低、晶粒界面结合不够紧密等因素影响了磁电耦合效应;采用陶瓷热等静压技术烧结了CoFe_2O_4摩尔含量为20%和45%的磁电样品,在1050°C/110 MPa/60 min条件下烧制的0.45CoFe_2O_4-0.55BaTiO_3磁电陶瓷样品具有最大的磁电耦合系数值,达30.09 mV/Oe·cm,研究表明细化晶粒、提高铁磁相含量、增大两相接触面积和提升烧结密度有利于高磁电耦合效应的产生。2.首次采用以单相NaCl为熔融盐介质,以NP-10 (nonylphenyl ether)为表面活性剂的熔融盐法一次性合成出了CoFe_2O_4-BaTiO_3纳米复合粉体,经TEM、XRD等分析手段检测表明于800°C反应合成的粉体中无其它杂相,粉体粒径在100 nm以下,而提高或者降低反应温度都将影响粉体粒径和粉体纯度;用普通陶瓷烧结方法在1180°C/120 min的条件下烧制了CoFe_2O_4摩尔含量约为20%、35%和50%的磁电复合材料样品,后两种样品都获得很好的物理性能(密度达到93.2%TD和94.3%TD)和铁电、铁磁综合性能(如压电系数分别达到14 pC·N-1和17 pC·N-1),并在50%CoFe_2O_4的样品中获得最高的磁电耦合系数,其值为17.04 mV/Oe·cm;以XRD、SEM等分析手段检测了块体材料的组成和微结构,分析表明两相之间结合紧密且无杂相存在于晶界,晶粒大小控制在0.5μm左右;以熔融盐法合成出了更细小的纳米粉粒,为烧结后的块体样提供了更大的相接触面积,块体烧结致密度也增大,同时获得优异的铁电、铁磁综合性能。3.利用粉体XRD表征、透射电镜衍射花样(SEAD)和计算出的两相晶格参数之间的关系,分析得到两相晶胞在平行于(110)和(220)晶面的平面内可以以晶格匹配的方式共格生长,由此构建了粉体合成时两相共格生长的八面体结构模式;当粉体中两相以这种共格的方式长大时,相与相之间能紧密结合,减少位错等缺陷,因此以全纳米粉体为原料制备的磁电复合材料可以获得更高的磁电耦合效应;以提高块体样品致密度、提升磁电耦合效应为目标,设计了块体二次热压烧结实验方案,实验后发现,溶液法合成的块体样最大磁电耦合系数是680μV/Oe·cm,二次烧结后其系数值降为42.7μV/Oe·cm,对其多项性能进行对比分析,结果表明两相间共格界面遭受最大程度改变是导致耦合系数下降的最直接原因;以熔融盐法制备的块体样(50% CoFe_2O_4和35% CoFe_2O_4)磁电耦合系数可以达到17.04 mV/Oe·cm和6.83 mV/Oe·cm,经过二次烧结后样品的耦合系数降为62.1μV/Oe·cm和65.16μV/Oe·cm,研究分析也表明影响它们的最关键因素是共格界面的破坏。4.从磁电耦合作用最基本的工作原理出发,分析和总结了CoFe_2O_4-BaTiO_3磁电复合材料中磁畴和电畴的形成机制,以及两种畴在各自受外力作用时形变、极化等现象产生的过程和机理;首次提出了畴间作用距离影响磁电耦合效应的模型,不但充分地验证了混相磁电复合材料中耦合效应产生的条件,而且对相界面的变化影响磁电耦合系数大小也作出了圆满的解释。
孙书杰[3]2016年在《组成及结构调控的新型参量复合氧化物量子功能材料研究》文中指出具有“复合”特性的量子功能材料通过利用自身的多参量f包括电荷、轨道和自旋自由度)和光、电、磁、声、热等外场作用可以实现包括存储和调控等多元化处理,从而为未来的固体量子器件集成提供传输、转换、存储、调控、放大、热能再利用等多重关键功能。因此,多参量复合的量子功能材料是量子信息技术发展的关键,其研究具有重要意义。然而,目前对复合量子功能材料体系仍缺乏系统的研究,在许多方向上还存在空白。因而致力于研究新型复合氧化物量子功能材料体系,对于发现新的原理、新的物理现象以及产生新的材料、新的物理方法非常重要。作为复合氧化物量子功能材料的潜在候选者,层状氧化物因其层状结构可以实现一个结晶轴上至少两个结构序参量耦合而受到研究者们的广泛关注。2009年以前,这类层状氧化物材料的研究大部分集中在铁电和介电材料体系,而对于具有磁电耦合性能的复合层状氧化物材料的研究则是零星的。2009年,毛翔宇、陈小兵、陆亚林等人利用铁钴互置换的办法,成功的合成了新型四层Aurivillius相Bi5Fe0.5Ti3O15复合结构材料,实现了铁磁相变温度远高于室温和大的铁电铁磁响应[Appl.Phys.Lett.95,082901 (2009);中国专利授权号CN101607818B]。随后,陆亚林等人又通过磁性层插入铁电层状结构框架的方法,合成了新型单相磁电多铁陶瓷材料SrBi5Fe0.5Co0.5Ti4O18,实现了优秀的室温以上铁电性和铁磁性并且获得了室温以上的磁电耦合效应(在-370 K,磁电耦合系数-350μV cm-1 Oe-1) [Materials Horizons,2,232-236 (2015);中国专利授权号CN102875145B]。这些研究实现了层状氧化物材料在量子功能领域方面的突破,同时也表明了利用人工设计合成具有所谓的“内秉”磁电耦合的设想是很好的思路。2012年,中国科学技术大学陆亚林教授在国家重大科学研究项目(2012CB922000)中提出了“多参量复合氧化物量子功能材料”这个概念,具体是利用新型晶胞原子层间嵌入合成技术实现具有晶胞内磁电调制“复合”结构及“复合”有序相新型复合氧化物量子功能材料。这种“复合”不同于原先自然材料中固有存在,而是上升到人工设计及合成复合超结构层面。然而,当前利用这类“复合”,形成的新型复合氧化物量子功能材料仍然显示很弱的磁性及磁电耦合性能,仍不能满足量子功能器件实际应用的需求。因此,探索发现更多的新型参量复合氧化物量子功能材料,对拓展量子多功能材料体系,增强量子多功能复合及调控,发展新颖的量子调控和复合理论机制,具有重要意义。本论文以通过化学元素替代组成新型参量复合氧化物量子功能材料,以及过量替代引发材料体系结构调制为主线,着重研究材料体系Bin+1 Fen-3Ti3O33n+3(n为钙钛矿层数)中化学掺杂形成新型参量复合氧化物材料的基本物性和过量化学元素替代引发的结构转变过程及结构变化所导致的新奇物理现象和特殊的耦合性能。本论文主要研究包括：1)通过不同位置的化学替代来实现多种新型参量复合氧化物材料,并比较不同位置的替代对其新型氧化物材料的结构和性能影响；从而详细地理解组分调制作用下的内在物理意义；2)通过化学替代实现对新型参量复合氧化物量子功能材料的钙钛矿层结构调控：并在结构转变区间发现类准同型转变效应,实现了大的铁电、介电、铁磁响应；这些物理效应实现了新型的量子复合机制。丰富了基础物理知识；3)在新型的共生相层状结构材料体系中通过化学修饰来实现新型参量复合氧化物量子功能材料,并探讨其物理性能及化学替代对该材料微观结构转变特征；该工作显示了在更复杂的层状氧化物体系中,新型氧化物的结构及物性特征。总之,这些研究丰富了对层状氧化物材料体系中新型参量复合氧化物量子功能材料的认知,为未来探索更多新型参量复合氧化物量子功能材料提供了大量的借鉴意义。具体章节主要内容如下：第一章概述了新型多参量复合量子功能材料,并综述了近年来这类新型参量复合氧化物量子功能材料的研究进展及存在的问题。第二章分别研究了A位Gd掺杂和B位Ni掺杂对Aurivillius相Bi7Fe3Ti3O21氧化物的结构及性能的影响。第叁章研究过量钴替代铁原子对六层均相氧化物Bi7Fe3TijO21的结构调制及性能的影响规律。第四章介绍了非均质相无序排列的Aurivillius相氧化物Bi11Fe3Ti6O33材料,并研究了微量钴掺杂对共生结构材料的性能影响。第五章介绍一种鉴定和量化Aurivillius相参量复合氧化物材料中铁磁性杂质的技术手段,称为磁失重(DTMG)法。第六章是对本论文的总结以及对未来工作的展望。
肖珍[4]2013年在《单晶钛酸铅纳米结构的可控制备、掺杂、相变与应用研究》文中进行了进一步梳理钙钛矿结构铁电氧化物纳米材料具有优异的物理和化学性能,在高密度存储器、压电纳米发电机和催化等领域有着广阔的应用前景。开展纳米尺度钙钛矿结构铁电氧化物的可控制备,研究其结构与性能间的相互关系,对于这类材料的发展以及应用拓展都具有重要的指导意义。本文首先简要概述了铁电氧化物的结构特点,重点总结和评述了PbTiO3(PT)及其固溶体铁电纳米材料的制备与性能研究现状。针对一维单晶PT及其固溶体铁电纳米材料的可控制备和尺寸调控等难点问题,本文采用PVA作为表面修饰剂辅助水热法分别首次成功合成出Ba、Fe、Zr掺杂前钙钛矿相PT单晶纳米纤维,并通过固相烧结法获得Ba、Fe、Zr掺杂的四方钙钛矿相PT单晶纳米纤维。此外,采用多种分析测试技术对前钙钛矿相和钙钛矿相Ba、Fe、Zr掺杂PT单晶纳米纤维的铁电性、铁磁性和荧光等性能进行了研究。系统研究了前钙钛矿相PT纳米纤维的相变过程和介孔形成机制。以低维PT铁电纳米材料为载体,分别对其负载Pt和Ti02合成Pt-PT和PT-TiO2复合材料,成功将铁电氧化物纳米材料拓展到CO催化和可见光光催化领域。本文主要研究内容如下：(1)采用PVA辅助水热法,首次成功制备了一系列具有规则刻面且表面光滑的Ba掺杂前钙钛矿相PT纳米纤维,其直径为100-600nm,长度为13-120gm,纳米纤维长径比高达200,Ba2+在前钙钛矿相PT中的掺杂极限值为5-8mo1%。在生长过程中,PVA分子链通过氢键或化学吸附附着在Ba掺杂前钙钛矿相PT晶核表面,抑制了{001}晶面的生长速率,使其沿[001]方向发生取向生长,从而制备出Ba掺杂前钙钛矿相PT单晶纳米纤维。该纳米纤维在高温热处理后会相变成为单晶Ba掺杂钙钛矿相PT纳米纤维,压电力显微镜研究表明5mol%Ba掺杂PT单晶纳米纤维具有明显的压电铁电性能。(2)采用PVA辅助水热法,首次成功制备了A位Fe掺杂前钙钛矿相PT单晶纳米纤维,其掺杂极限在2-5mo1%之间,该纳米纤维在高温热处理后相变为B位Fe掺杂的四方钙钛矿相PT纳米纤维。Fe掺杂前钙钛矿相PT纳米纤维的M-H结果表明,未掺杂的样品为典型的抗磁性,Fe掺杂浓度为1mol%时,样品表现为铁磁性,当掺杂含量增加至2mo1%,转变为顺磁性；Fe掺杂钙钛矿相PT纳米纤维的M-H曲线显示,纯PT表现为抗磁性,当掺杂含量为1mol%时,样品为铁磁性,且随着Fe浓度增加至2mo1%时,样品饱和磁化强度基本不变。(3)采用PVA辅助水热法,首次成功制备了一系列Zr掺杂前钙钛矿相PT纳米纤维,其直径为100-400nm,长度为5-30μm,掺杂极限在15-20mo1%+之间；该纳米纤维在高温热处理后可以转变为Zr掺杂钙钛矿相PT单晶纳米纤维。室温条件下,经325nm激光激发后,Zr掺杂前钙钛矿相PT纳米纤维在绿光和近红外波段都有荧光发光峰,且随着Zr掺杂浓度增加,其发光强度减弱,发光峰位基本不变。(4)采用高温热处理法,结合In-situ XRD和In-situ TEM等测试手段,系统研究了前钙钛矿相向钙钛矿相PT的相变过程和介孔形成机制。在相变过程中,随着温度的升高,前钙钛矿相晶体结构的ab面首先被打破,产生大量熔化形成的非晶区域,这些区域的出现有效降低了前钙钛矿和钙钛矿相PT晶格不匹配造成的界面能,使其相变过程顺利进行。此外,相变过程中产生的非晶区域结晶成为立方钙钛矿结构时,由于两种结构存在较大的密度差,纳米纤维内部出现孔径为5-10nm的介孔,这种介孔随着温度的升高相互吞并长大,直至迁移至表面、消失；采用短时间热处理并结合快速冷却的方式可以有效保留这些介孔,获得单晶介孔的铁电纳米纤维。(5)采用浸渍还原法获得Pt-PT纳米纤维,其CO催化结果显示,纯钙钛矿相PT纳米纤维在温度升高至250℃对CO仍无催化作用；开孔Pt/meso-PT样品和闭孔Pt/meso-PT-surf-block样品在温度为85℃时,均可实现对CO的100%转化率,而无孔的Pt-PT样品温度为100℃。通过对比叁者的动力学曲线,发现其表观活化能呈递减趋势,介孔Pt/meso-PT纳米纤维的催化活性最高。(6)采用简单的二次水热法成功合成出不同浓度的PT-TiO2复合纳米材料,研究发现Ti02纳米颗粒与PT纳米片可能发生外延生长,形成异质结结构。有机物光降解研究表明：可见光(λ～420nm)连续辐照3h后,PT-TiO2复合纳米材料对亚甲基蓝(MB)溶液的降解效率接近100%；且随着复合材料中Ti02比例增加,PT-TiO2复合纳米材料的一级反应速率常数从0.0161增加至0.0203min-1。(7)采用水热法合成了a-FeOOH单晶纳米棒,在氧气和氮气保护下对其进行热处理,分别获得单晶介孔a-Fe2O3和Fe304纳米棒,二者孔径分布范围对应为1-8nm和1-18nm。叁种不同结构氧化铁的电化学性能数据显示,在0.1C倍率下,无孔a-FeOOH样品循环性能较差,而具有介孔结构的a-Fe2O3和Fe304单晶纳米棒由于结构稳定性好,比表面积高,在0.1C倍率下充放电50次后,可逆容量分别高于890mAhg-1和840mAhg-1,表现出优异的循环性能。
轩海成[5]2012年在《复相多铁性材料的逆磁电效应研究》文中认为磁电多铁性材料是一类应用广泛的功能性材料,由于其在传感器、集成电路、高密度信息存储以及磁电子学等方面的潜在应用引起了人们的广泛关注。复相多铁性材料是一种兼有磁有序和电有序的复合材料,由单相的铁磁和铁电材料经过不同的方法复合而成,在室温就能表现出较好的磁电耦合效应。磁电耦合效应又可以分为正磁电效应和逆磁电效应。相对于正磁电效应,复相材料中逆磁电效应的研究比较少。而且,在复相材料逆磁电效应的研究中,磁性相的选择以巨磁致伸缩材料Terfenol-D为主。本论文在总结和分析前人工作的基础上,选用新的磁性材料层并研究了这类复合材料的逆磁电效应,主要分为以下几个方面的工作:1.Metglas/铁电层状复合材料的逆磁电效应我们选用高导磁率的Metglas条带作为磁性材料层,用动态感应法研究了Metglas/PMN-PT层状复合材料的逆磁电效应。在较低的偏置磁场50 Oe以及共振频率76.5 kHz,该复合材料最大的逆磁电耦合系数达到3.05 G/V。铁电材料除了选用PMN-PT外,我们还研究了不同厚度的PZT组成的复合材料的逆磁电效应。发现不同厚度复合材料的共振频率和最佳偏置磁场几乎相同,而逆磁电耦合系数却不同。另外,在该复合材料上附加不同的直流偏置电压对两种材料逆磁电耦合效应有非常明显的影响。2.Ni_(49)Fe_(18)Ga_(27)Co_6/铁电层状复合材料的逆磁电效应Ni_(49)Fe_(18)Ga_(27)Co_6是一种具有较大磁致应变的铁磁形状记忆合金。大的磁致应变主要来源于其马氏体相中孪晶的移动以及再取向。我们选用该合金作为磁性材料层,研究了Ni_(49)Fe_(18)Ga_(27)Co_6/PZT复合材料的逆磁电效应。在最佳偏置磁场100 Oe以及共振频率76.5 kHz下,该复合材料最大的逆磁电耦合系数达到1.05 G/V,表明NFGC/PZT复合材料是一种很有应用价值的复相多铁性材料。复合材料中大的逆磁电效应主要来自于NFGC合金中应力驱动的磁畴和孪晶的移动。直流偏置电压对复合材料的逆磁电效应有明显的影响。在非共振频率1 kHz,当电压从-100 V增加到100 V时,αCME的最大值从8.7增加到25 mG/V。因此,施加不同的直流偏置电压也能有效的调节复合材料的逆磁电效应。3.Ni/PMN-PT/Ni无偏置磁场-下的逆磁电效应我们用电沉积的方法制备了 Ni/PMN-PT/Ni层状复合材料,该材料在室温有一定的剩磁和矫顽力。无偏置磁场时,该复合材料在共振频率102 kHz,最大的逆磁电耦合系数达到0.45 G/V。而且,无偏置磁场时,直流电场对复合材料的磁性也有非常明显的调控,其磁性随直流电场变化的关系呈现很好的"蝴蝶"形。在脉冲电压的作用下,材料的磁性有明显而稳定的变化并表现出很好的"开关"效应,并且这种变化是可逆和可重复的。以上结果表明我们在这类复合材料中实现了无偏置磁场时的逆磁电效应。这类复合材料无偏置磁场时表现出较大的逆磁电效应使其有可能在低能耗、高记录密度的存储材料中有着更加广阔的应用前景。4.高Mn含量Ni-Mn基铁磁形状记忆合金的交换偏置、磁热和磁电阻效应与传统研究的富Mn含量的Ni-Mn-X(X = In,Sn,Sb)相比,我们进一步提高了这类合金中Mn的含量,使Mn的含量不但大于Ni的含量,甚至大于50 at.%。在这类合金中,多余的Mn原子不仅会占据X原子的位置,而且还会占据原来Ni原子的位置。占据X位和占据Ni位的Mn原子与Mn位的Mn原子都是反铁磁耦合作用。在2K时,Mn_(50)Ni_(40)Sn_(10)合金的交换偏置场达到910 Oe,远远大于前人报道的数值。在Mn_(47+x)Ni_(43-x)Sn_(10)合金中,材料的马氏体相变温度随着Mn含量的增加向低温方向移动。在12 kOe的低磁场下,Mn_(49)Ni_(41)Sn_(10)合金的磁熵变值达到14.1 J/kgK;另外,在50 kOe的磁场下,该合金马氏体相变附近磁电阻的峰值达到-26%。在Mn_(50)Ni_(50-x)In_x合金中,材料的马氏体相变温度随着In含量的增加逐渐降低。而且,这类合金在马氏体相变附近也表现出了较大的磁熵变效应。另外,通过Co的掺杂,在Ni-Co-Mn-Al合金中实现了从铁磁的奥氏体到弱磁的马氏体的马氏体相变,并且在马氏体相变温度附近得到了磁场诱导的变磁性行为。对于Ni_(42)Co_8Mn_(32)Al_(18)合金,在马氏体相变前后,材料磁化强度变化的大小达到45 emu/g。同时,在225 K、90 kOe的磁场下,该合金磁电阻的峰值达到-67%。马氏体相变附近大的磁化强度的变化和磁电阻效应,主要来源于Ni-Co-Mn-Al合金中磁场诱导的马氏体相变。
路晓艳[6]2009年在《多重铁性复合材料的力、电、磁耦合机理及性能研究》文中研究指明多重铁性材料是指一类具有铁电、铁磁和铁弹两者或两者以上耦合性能的材料,这种材料在外电场下可以诱发磁极化,在外磁场下也可以诱发电极化,具有乘积效应的磁电耦合性能。这种奇特的性能为材料和器件的设计增加了自由度,在多场信息存贮与读写、无线微波器件、无线传感网络和多功能电子器件等方面有很大应用潜力,已成为功能材料领域的研究热点。具有多重铁性的单一物质材料在自然界中种类很少,而且多数在极低的温度下才有较强的磁电耦合效应,而利用铁电材料的电致伸缩性和磁性材料的磁致伸缩性通过界面之间的弹性耦合制备的复合型多重铁性材料在室温下具有较大的磁电耦合效应。由于这种磁电耦合主要来自于两相之间的弹性耦合,因而,分析两相界面之间、薄膜与衬底界面之间的弹性相互作用,详细考虑外电场和外磁场对材料内部应力场的影响,才能合理选择相互匹配的材料,获得更大的磁电耦合性能。本文研究了复合型多重铁性材料的耦合机理,详细考虑了尺寸效应、表面效应、体积份数、厚度以及各种应力应变对材料性能的影响,同时也关注如何利用这一耦合性能实现一些功能结构材料的多场多自由度调控,最后,对材料的断裂性能做了初步的分析。以下是本文的主要研究思路、方法和结论:1)基于Landau理论,详细分析了1-3型纳米铁电铁磁复合材料中各种应力应变之间的相互作用关系及其对系统自由能的影响。各种应力应变包括铁电相的电致伸缩应变和铁磁相的磁致伸缩应变以及两相界面之间和薄膜与衬底之间由于晶格不匹配产生的错配应力和由于位错产生的释放应力之间的弹性相互作用。建立电极化和磁极化随时间演化的金兹堡-朗道动力方程,通过分岔理论预测了两相材料的相变点,利用数值方法给出了稳态时电极化强度和磁极化强度以及两相中的应变状态,并基于Landau-Khalatnikor方法,数值模拟了耦合场下的电极化强度和磁极化强度的蝶形曲线;2)基于Ginzburg-Landau理论结合Timeshenko弹性力学方法对介电/磁性合金(Ba0.6Sr0.4TiO3/terfenol-D)层状复合材料的介电性能进行研究。利用外磁场诱发的磁性合金的磁致伸缩,可以在一定范围内调节钛酸锶钡的小场介电性能,而通过改变Ba/Sr成份比例和层厚比可以实现较大范围内的调控;3)利用磁电耦合效应,设计了铁电/铁磁层状弯曲型驱动器,并用Hsueh的方法对铁电/磁性合金层状复合材料的弯曲性能进行研究。结果表明,由外磁场调控terfenol-D层的磁致伸缩可以调控结构的竖向相对弯曲位移,最高可达55%;4)基于能量的方法,从宏观尺度研究了铁磁纤维增强型铁电基体复合结构的断裂韧性。考虑力、电和磁多场作用下的磁电耦合的性能,得出了关于铁电极化强度和磁极化强度的能量释放密度函数。结构的断裂韧性很大程度上依赖于铁电材料和铁磁材料的极化大小、两相的成份比和界面弹性相互作用。
徐加焕[7]2010年在《BiFeO_3多铁性陶瓷材料的sol-gel制备与表征》文中指出多铁性材料,由于其同时具有铁磁有序、铁电有序或铁弹有序而且它们之间在一定温度范围内存在磁电耦合的特性,因此,它们在信息存储、自旋电子设备以及传感器等方面都颇具发展潜力,特别是在新型的四态存储器方面具有诱人的应用前景,并且此类材料中具有非常有价值的物理研究意义。在所有的单相多铁性材料中,同时具有铁电性和反铁磁性的BiFeO_3材料由于具有高的铁电居里温度(TC~830℃)、反铁磁尼尔温度(TN~370℃)和比较高的自发极化值(~100μC·cm~(-2))而成为首选的可以在室温下应用的磁电材料。因此,BiFeO_3成为目前研究的热点材料。自从上个世纪60年代BiFeO_3被发现以来,关于其结构和特性的研究报道很多,就其应用而言,仍有几个难点需要攻克。为了适应电路集成的需求,合成温度要求在一定温度以下;由于BiFeO_3高温热力学不稳定性,在合成过程中,避免形成Bi_(25)FeO_(39)和Bi_2Fe_4O_9第二相,单相BiFeO_3的制备仍是一个挑战;BiFeO_3的漏电流问题以及螺旋磁结构导致其室温宏观磁性的消失;为了未来存储器件达到更高的运算速度,目前GHz频段的性能研究显得格外重要。本文的工作正是针对上述存在的问题展开的,主要研究内容有:通过一种简单的乙二醇基溶胶凝胶法使BiFeO_3合成温度降低到450℃,加入乙酰丙酮稳定剂后,合成温度进一步降低到400℃,并对其中的化学反应过程以及由干凝胶到最终完全晶化的BiFeO_3进行了详细的研究,BiFeO_3形成的化学方程式为Bi_2O_2CO_3+Fe_2O_3 2BiFeO_3+CO_2。另外,溶胶凝胶法合成了BiFe_(1-x)Ta_xO_3粉体样品,通过控制水解聚合平衡反应,获得了均匀稳定的溶胶。BiFeO_3纳米颗粒表现出明显的磁性尺寸效应,磁性随着颗粒尺寸的减小而增强,这种不同于块体材料反铁磁行为的铁磁性质主要是由于随着颗粒尺寸的减小,比表面积增大,在颗粒表面的长程反铁磁有序被破坏程度增大,表面未饱和自旋对颗粒的总磁矩的贡献增大,本征周期长度为~62nm的螺旋磁结构遭到部分压制。另一个原因是在小颗粒中表面各向异性对磁行为起主要作用,表面应力各项异性可能也导致了所观察到的弱磁行为。Ta掺杂导致BiFeO_3样品磁性提高了一个数量级,矫顽力和交换偏置场明显降低,磁性的提高主要是由于掺杂后的晶格畸变引起FeO_6八面体的倾斜释放了锁定在周期螺旋磁结构中的潜在磁矩以及Fe~(2+)离子与Fe~(3+)离子的分布。330℃的介电反常说明BiFeO_3纳米颗粒中存在铁电和磁性之间的耦合效应。BiFeO_3样品在15GHz附近存在一个介电弛豫响应,应该是和过阻尼振动联系在一起的;Ta掺杂后样品在12.5和14.6GHz附近表现出两个共振型介电响应,并且14.6GHz附近的共振峰强度随着Ta掺杂含量的增加而减弱,共振响应应该是和阻尼振动联系在一起的。BiFeO_3纳米颗粒表现出可逆铁电相变,铁电相变温度为827℃。采用溶胶凝胶旋涂法在Pt/Ti/SiO_2/Si基片上制备了(100)择优取向的BiFeO_3薄膜和SrBi_2Ta_2O_9/BiFeO_3/SrBi_2Ta_2O_9叁明治结构薄膜,合适的基底热处理工艺(600℃,10min)、层层晶化热处理工艺、低的溶胶浓度、临界薄膜厚度以下是获得高(100)择优取向BiFeO_3薄膜的前提。SrBi_2Ta_2O_9/BiFeO_3/SrBi_2Ta_2O_9叁明治结构的层状复合薄膜中,无任何杂质相存在,SrBi_2Ta_2O_9缓冲层并没有改变BiFeO_3薄膜(100)择优取向结构,薄膜表面晶化很好、致密、晶粒大小均匀、表面光滑,截面整齐连续、为获得优良的铁电、磁性能提供保障。采用溶胶凝胶(乙二醇基溶胶凝胶法和柠檬酸硝酸盐法)制备得到粉体作为初始材料,经过冷等静压成型、无压烧结得到块体陶瓷,研究了BiFeO_3陶瓷的高温热力学稳定性以及试图制备单相陶瓷的方法,进一步观察晶粒的生长和陶瓷中的缺陷。柠檬酸硝酸盐法制备BiFeO_3粉体时,由于柠檬酸为络合物的溶胶容易形成二聚物化合物,导致凝胶中Bi-Fe异质形核排列不能作为主要的形核方式, Bi、Fe元素在凝胶中分布不均匀,烧结的陶瓷中BiFeO_3、Bi_2Fe_4O_9和Bi_(25)FeO_(40)叁相共存,纳米量级的椭球状的Bi_(25)FeO_(40)相和基本为方形的Bi_2Fe_4O_9相分布在近似为等轴不规则形状的微米量级BiFeO_3主相的晶界处,并在陶瓷中观察到了可能的畴结构和缺陷。
谢淑红[8]2008年在《多重铁性微纳米材料的制备与表征》文中研究说明近年来,多重铁性材料以其特有的自旋有序和极化有序性引起了国内外广大科学工作者的密切关注。研究表明,多铁纳米材料在多功能的存储器、传感器、能量转换、驱动器、光学器件以及微机电系统等领域具有广泛的应用前景。本文以多铁纳米材料为研究对象,文章开篇对多铁材料的研究进展及其应用前景进行了介绍,主要讨论了:(1)多铁薄膜的制备方法、物理特性及性能表征;(2)多铁纳米纤维的制备方法和性能表征。继而通过系统的实验方法研究了多铁纳米复合薄膜、复合多铁纳米纤维、单相多铁纳米纤维及印刷多铁纳米结构的制备及性能表征。主要研究内容和实验结果概括为以下几个方面:第一,采用化学溶液沉积法(CSD)制备了单相Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3(PZT)、CoFe_2O_4(CFO)和NiFe_2O_4(NFO)薄膜。并在此基础上,制备了两相随机复合的PZT-CFO和PZT-NFO薄膜和以下PZT-2CFO-PZT(PCP)、CFO-2PZT-CFO(CPC)、PZT-2NFO-PZT(PNP)、NFO-2PZT-NFO(NPN)四种层状结构的铁电铁磁复合薄膜。探索了不同Pb离子含量、不同热处理温度、不同结构等工艺参数的变化对薄膜的电滞回线、抗疲劳性能及铁磁性能等的影响。实验结果表明:Pb过量10%的PZT薄膜在750℃热处理薄膜的结晶性能好、结构致密、剩余极化强度Pr最高可达55uC/cm~2,但薄膜的抗疲劳性能差;铁磁CFO和NFO薄膜在750℃热处理晶粒尺寸分布比较均匀,但结构比较疏松;两相随机复合的PZT-CFO和PZT-NFO薄膜的结构致密性介于单相铁电和铁磁薄膜之间,铁电和铁磁两相互相夹杂影响了复合薄膜的电滞回线和磁滞回线的形状,复合薄膜的抗疲劳性能比单相PZT薄膜好;PZT-CFO和PZT-NFO两相随机复合薄膜的剩余极化强度Pr分别为30和35uC/cm~2,矫顽电场Ec分别为120和80kV/cm,剩余磁化Mr分别为5.0和0.25emu/cm~3,矫顽磁场He分别为560和100Oe,PZT-CFO与PZT-NFO两相随机复合薄膜相比,PZT-CFO复合薄膜性能要好:PCP和PNP叁明治结构的层状复合薄膜的表面比较平整、结构较致密,PCP和PNP层状复合薄膜的剩余极化强度分别Pr为35和38uC/cm~2、矫顽电场Ec分别为90和160kV/cm,剩余磁化Mr分别为11.2和3.75emu/cm~3,矫顽磁场Hc分别为540和200Oe;CPC和NPN结构的层状复合薄膜表面结构疏松、漏电严重,与CPC和NPN结构的复合薄膜相比,PCP和PNP结构的复合薄膜具有较好的综合性能。第二,分别采用静电纺丝法和溶胶凝胶法制备了PZT、CFO及NFO纳米纤维和纳米粉体。较为系统地研究了电纺溶液的浓度、平均电场强度及接收距离等工艺参数的变化对静电纺丝纤维的形状、直径大小、纤维的压电性能及铁磁性能等的影响。获得了静电纺丝法制备具有优化形貌和结构的铁电和铁磁纤维的工艺条件。实验结果显示:(1)Pb过量10%的PZT纳米聚合物纤维和干凝胶在550℃空气中热处理2h能得到结晶性能较好的单相钙钛矿结构的PZT,PZT纳米纤维表面光滑、结构致密,单根纤维的直径均匀,组成纤维的晶粒尺寸在10～20nm。PZT纤维具有铁电性,其压电系数d_(33)为223.9pm/V、矫顽电场Ec约为70kV/cm。PZT纳米粉体为圆球形,其晶粒尺寸的分布均匀性比PZT纳米纤维差。(2)聚合物浓度、溶液离子浓度、平均电场强度和接收距离对静电纺丝PZT纤维的形貌和结构有重要影响。PZT纤维的直径随着聚合物和溶液离子浓度的升高逐渐增大,但过低或过高的聚合物和溶液离子浓度都不能得到直径较均匀、形状规则平直的大量连续的纤维。适中的平均电场强度可以得到平直、连续且尺寸均匀的PZT纳米纤维,但过高或过低的平均电场强度容易得到弯曲形状的纤维或不能得到纤维。此外,适当的调整接收距离可以获得形状规则的圆PZT纤维;但接收距离过小,纤维容易出现粘结和坍塌现象;接收距离过大,纤维的直径粗细不一,且并不能降低纤维直径。当PZT溶液浓度为0.15～0.30mol/L、聚合物浓度为0.02～0.035g/mL、平均电场强度为1.0～1.4kV/cm、接收距离为18～24cm时,静电纺丝可以获得形状规则、尺寸均匀且较平直的PZT纤维。(3)铁磁CFO和NFO纳米纤维及粉体具有相仿的微观结构和形貌。铁磁纤维的形状规则、单根纤维尺寸均匀且平直,组成纤维的晶粒尺寸在20～40nm范围内,纤维的直径在100～300nm之间,铁磁纤维结构疏松、晶粒尺寸大于PZT纤维,且铁磁纳米纤维的晶粒尺寸分布比铁磁纳米粉体的均匀。CFO纳米纤维及粉体的剩余磁化强度Mr分别为31.8和35.1emu/g,矫顽磁场Hc分别为1700和1260Oe;NFO纳米纤维及粉体的剩余磁化强度Mr分别为13.8和11.6emu/g,矫顽磁场Hc分别为200和130Oe。第叁,采用静电纺丝法制备了一系列两相化学配比不同的PZT-CFO和PZT-NFO复合纳米纤维。研究了静电纺丝过程中溶液离子浓度、溶液组分等参数对两相随机复合纤维的形貌、晶粒大小、成分分布等微观结构和纤维的压电、铁磁性能的影响。实验结果表明:(1)PZT-CFO和PZT-NFO两相随机复合纤维的形貌和结构相类似。PZT-CFO和PZT-NFO铁电铁磁复合纤维是由铁电PZT和铁磁CFO(或NFO)纳米晶粒随机排列组合形成,晶粒尺寸在10～30nm之间。复合纤维的结构比较致密、表面比较光滑、单根纤维尺寸均匀且比较平直。溶液浓度和两相化学配比对复合纤维的形貌、结构和性能有重要影响。随着电纺溶液中离子浓度的降低,复合纤维的直径逐渐变小。两相组分差别比较大的复合纤维中粗细纤维直径相差近十倍。铁电PZT相容易出现相偏析和成分偏析,而铁磁相的成分较稳定。(2)复合纤维中随着铁磁相含量的降低,纤维的压电系数d_(33)逐渐大增大,剩余磁化强度Mr和矫顽磁场Hc逐渐减小。PZT和CFO两相的摩尔比分别为1:1.5、1:1.25、1:1、1:0.75和1:0.5的PZT-CFO复合纤维的压电系数d_(33)分别为60、125、140、157和190pm/V,剩余磁化强度Mr分别为15.0、11.3、8.6、3.3和2.7emu/g,矫顽磁场Hc分别为1700、730、576、386和365Oe。PZT和NFO两相的摩尔比分别为1:1.5、1:1.25、1:1、1:0.75和1:0.5的PZT-NFO复合纤维的压电系数d_(33)分别为52、55、112、128和150pm/V,剩余磁化强度Mr分别为4.30、1.58、0.907、0.776和0.712emu/g,矫顽磁场Hc分别为203、111、90、82和60Oe。第四,采用静电纺丝法制备了BiFeO_3(BFO)纳米纤维,运用金相显微镜、XRD、SEM、EDS、TEM、PFM及VSM等测试方法表征了BFO纤维的微观结构和宏观性能。研究了静电纺丝过程中BFO前驱体溶液中Bi含量、不同聚合物和热处理气氛等工艺参数对纤维的形貌、成分、压电及铁磁性能的影响。实验结果表明:(1)Bi过量5%的BFO纤维在550℃氩气气氛中热处理2h可以得到纯度较高的钙钛矿结构的BFO相,其它工艺条件下制备的BFO纤维中则含有其它杂相:静电纺丝BFO溶液时所需的聚合物含量较高,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为0.04～0.08g/mL、聚甲基丙烯酸-2-羟乙酯(PHEMA)为0.05g～0.12g/mL。以PVP为聚合物进行静电纺丝更容易得到平直、单根纤维直径均匀、形状规则的BFO纤维,以PHEMA为聚合物进行静电纺丝的BFO纤维容易出现粘结和坍塌现象。(2)BFO纤维的结构比较致密、表面比较粗糙,构成纤维的大多数晶粒尺寸在20 nm左右。电子衍射图谱和HRTEM图片证实了BFO纤维具有多晶的菱形钙钛矿结构。BFO纤维的碟形曲线和相位滞回线证实了BFO纤维具有压电和铁电性能,纤维的最大压电系数d_(33)为69.3pm/V、矫顽电场为150kV/cm。BFO纤维中多数畴结构的尺寸为100nm左右,也存在尺寸约为10nm的小畴结构。BFO纤维饱和磁化强度Ms约为4.0emu/g、剩余磁化强度Mr约为1.7emu/g、矫顽磁场Hc约为200Oe。(3)探索了叁种不同的方式制备一定尺寸范围内取向平行的BFO纤维。采用旋转的圆盘作为阴极接收装置得到了在几十微米尺寸范围内取向平行的BFO聚合物纤维。采用平行电极板作为接收装置和纳米粉体进行静电纺丝都没能得到取向平行性好的BFO纤维。第五,探索了纳米印刷法制备多铁微纳米图案结构的工艺。以微加工的各种不同形状的模版为初始母版,聚二甲基硅氧烷(PDMS)为软印刷模版,制备了PZT、两相随机复合PZT-CFO和PZT-NFO、层状复合PZT-CFO和PZT-NFO及BFO微纳米图案。采用金相显微镜、AFM和VSM初步表征了多铁微纳米图案的形貌和宏观性能。初步研究结果表明:制备的PDMS软印刷模版与微加工母版结构一致;采用纳米印刷法得到了条纹间距均匀、平直规则的单相PZT的微纳米图案结构;两相随机复合和层状复合的PZT-CFO和PZT-NFO微纳米图案结构形貌类似,其形貌为条纹结构的基体中均匀地分布一些微纳米粒子,PZT-CFO两相随机复合图案结构的剩余磁化强度为1.65emu/cm~3、矫顽磁场约为180Oe;铁磁溶液浓度较稀时,CSD法制备铁磁层的PZT-CFO和PZT-NFO层状结构的图案形貌与两相随机复合的类似;平板PDMS制备铁磁层的PZT-CFO和PZT-NFO层状结构的形貌为间距均匀、条纹形状规则平直的波浪式结构,铁磁溶液均匀地填充在PZT沟槽的底部,形成局部连续的薄膜,条纹的宽度为2～2.2um、深度约为68～85nm,PZT-CFO层状复合图案结构的剩余磁化强度为22.3emu/cm~3、矫顽磁场Hc为1000Oe;采用纳米印刷法制备出间距均匀、条纹平直且形状规则的单相多铁BFO的微纳米结构。
唐振华[9]2015年在《多重铁性复合薄膜的制备及磁—力—电耦合性能研究》文中提出多铁性材料是一类同时具有铁电性、铁磁性和铁弹性两者或两者以上的功能材料。这种材料在外电场下可以诱发磁极化、在外磁场下也可以诱发电极化,这种现象被称为磁电耦合效应。近年来,多铁性材料及其器件以其特有的自旋有序、极化有序性以及多物理场耦合效应引起了国内外科学工作者的广泛关注,已成为功能材料领域的研究热点。多铁性材料为新型电子器件的设计提供了新的一个自由度,大大拓宽了多铁性材料的应用范围。此外,研究表明多铁性材料在多逻辑信息存储器件、微机械系统、换能器、传感器和多功能电子器件等方面有很大应用潜力。以多铁性复合薄膜材料为研究对象,本论文对多铁性材料的研究进展、应用前景及其存在的问题进行了简要地介绍和探讨,进而探索了新的多铁性复合薄膜材料体系及新型的柔性可穿戴多铁性复合薄膜及器件,研究了电场、应力场、磁场之间的相互耦合作用及多物理场的调控关系,主要讨论了:(1)多铁性复合薄膜的制备方法、物理特性及性能表征;(2)多铁性复合薄膜的磁电耦合效应的测试及其机理分析。文中主要以Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT)、Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)和polyvinylidene fluoride(PVDF)为铁电相组元,以La0.67Sr0.33Mn O3(LSMO)、La0.7Ca0.3Mn O3(LCMO)和Co40Fe40B20(Co Fe B)为铁磁相组元,通过系统的实验方法研究了多铁性复合薄膜的制备和性能表征,并分析了其形成的物理机制。主要研究内容和实验结果概括为以下几个方面:1、采用脉冲激光沉积方法在单晶100取向的Sr TiO3(STO)、Pt/Ti/SiO2/Si(Pt)基片上制备了单相的Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT)铁电薄膜、单相的La0.67Sr0.33Mn O3(LSMO)铁磁薄膜及2-2型的多铁性La0.67Sr0.33Mn O3-Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(LSMO-PZT)复合薄膜。主要研究了PZT、LSMO薄膜及PZT-LSMO复合薄膜的微观结构、铁电、铁磁及磁电耦合性能以及薄膜生长顺序对结构、铁电、铁磁及磁电耦合系数等性能的影响,分析了磁电耦合效应的形成机理。结果表明:(1)相比于Pt基片,生长在溅射有缓冲层SRO的STO基片的PZT铁电薄膜具有较好的外延特性、结晶性能好、结构致密、剩余极化强度(2Pr)为119μC/cm2、介电性能好等特性;生长在STO基片上的LSMO具有较好的结晶性能和室温下较强的磁性能;(2)在STO衬底上沉积的不同生长顺序的LSMO-PZT多铁性复合薄膜,制备的样品展现出良好的铁电性能和磁性能,并且室温下存在较明显的磁电耦合效应,与LSMO/PZT结构的复合薄膜相比,PZT/LSMO结构复合薄膜的剩余极化值更大、漏电流更小且表现出更大磁电耦合效应,这可能是因为界面处铁磁相和铁电相通过应力/应变作用表现出来的磁-机械力-电的相互耦合效应不同。另外,衬底的钳制效应和界面缺陷等都会影响磁电耦合效应。2、采用脉冲激光沉积方法在STO衬底上先沉积一层Sr Ru O3(SRO)缓冲层且同时并作为底电极,之后生长lsmo/pzt复合薄膜,探索缓冲层sro对lsmo/pzt复合薄膜对磁电耦合效应的影响,进而研究影响磁电耦合效应的因素及物理机制。结果表明:复合薄膜展现良好的铁电性能和磁性能,相比于没有sro缓冲层的lsmo/pzt复合薄膜,lsmo/pzt/sro/sto复合薄膜的磁电耦合系数有所增大和改善,其最大值能到达92mv/cm·oe,lsmo/pzt/sro/sto复合薄膜的磁电耦合系数有所增大主要归因于sro缓冲层有助于改善lsmo/pzt表面粗糙度和内部缺陷,另外,sro缓冲层跟上层的pzt薄膜的晶格失配更小,增加sro缓冲层有利于lsmo-pzt复合薄膜减小来自衬底的束缚效应从而改善磁电耦合效应。3、基于对环境友好和晶格匹配的原则考虑,采用溶胶-凝胶(sol-gel)方法在pt/ti/sio2/si基片上制备出无铅的nd3+掺杂bi3.15nd0.85ti3o12(bnt),及0-3型的la0.7ca0.3mno3-bi3.15nd0.85ti3o12(lcmo-bnt)多铁性复合薄膜。研究了不同工艺对bnt薄膜电学性能的影响,bnt及lcmo-bnt复合薄膜的漏电流导电机制和磁电特性。结果表明:退火温度为750oc时制备的bnt薄膜,得到了较大的剩余极化强度(2pr=46μc/cm2)和较好的介电特性,且lcmo-bnt复合薄膜在100k低温下具有一定磁性和磁电耦合性能(磁电耦合系数αme=33mv/oe·cm)。4、采用磁控溅射的方法(sputtering)在sto衬底上生长lanio3(lno)作为底电极和缓冲层进而制备了多铁性的2-2型la0.7ca0.3mno3-bi3.15nd0.85ti3o12(lcmo-bnt)磁电复合薄膜。研究了薄膜生长顺序对结构、铁电、铁磁及磁电耦合系数等性能的影响及lcmo-bnt薄膜的铁电性、磁电耦合特性对温度的响应。实验结果表明:(1)常温下bnt/lcmo和lcmo/bnt复合薄膜的剩余极化分别为50μc/cm2和40μc/cm2,且两种结构的复合薄膜在低温下具有较好的磁性能;(2)在sto衬底上镀lno缓冲层再沉积不同生长顺序的lcmo-bnt复合薄膜展现出良好的铁电性能,较好的压电响应和良好的磁学性能,在常温下用pfm能观测到lcmo-bnt复合薄膜铁电畴结构,并且低温下存在较明显的磁电耦合效应。在温度为100k时,其最大磁电耦合系数能达到63mv/oe·cm。测试结果表明复合薄膜中铁电相和铁磁相生长顺序的不同会引起磁学和电学特性的不同,可能是界面效应和应力作用导致的;(3)2-2型的lcmo-bnt多铁性复合薄膜的铁电、磁学性能及其磁电耦合效应都对温度场有较大的响应。温度场对复合薄膜的性能具有很大影响:在室温条件下,lcmo-bnt复合薄膜的磁电耦合系数较小,而在低温条件下其磁电耦合系数变大,这主要是因为温度对多铁性复合薄膜的结构的影响进而导致了磁性能及铁电性的改变。5、采用磁控溅射法在柔性、可弯曲的聚对苯二甲酸乙二醇酯(polythyleneterephthalate,pet)衬底和电致伸缩较大的柔性聚偏氟乙烯(polyvinylidenefluoride,pvdf)铁电衬底上了制备了cofeb磁性薄膜及ta/irmn/cofeb交换偏置异质结。主要研究了:(1)pet/cofeb/ta薄膜的磁-机械力耦合效应、应力对cofeb薄膜磁各向异性的调控的规律及厚度效应;(2)PVDF/Ta/Co FeB/Ta多铁性2-2型复合薄膜的电-机械力-磁耦合性能和PVDF/Ta/Ir Mn/Co Fe B交换偏置异质结电场、温度场对磁性能的调控及多物理场耦合的机理。结果表明:(1)应力能够调控柔性Co Fe B薄膜的磁各向异性,应力可以通过磁-机械力耦合效应连续地调控磁性能,通过设计磨具对薄膜施加不同大小的张应力和压应力下测试Co Fe B薄膜的磁性能,结果发现矩形比Mr/Ms随着压/张应力的增大而增大/减小。(2)2-2型的PVDF/Ta/CoFeB/Ta多铁性复合薄膜在常温下同时具有铁电性和铁磁性能,且面内具有一定磁各向异性,当给2-2型PVDF/Co Fe B多铁性复合薄膜施加电场会导致PVDF产生各向异性的应力从而影响Co Fe B薄膜的磁各向异性,实现了用电场调控磁性能,也论证了以应力为媒介实现了磁-机械力-电耦合效应,但是由于PVDF绝缘性较好,需要外加电场很大。(3)Si衬底上Ta/IrMn/Co FeB交换偏置异质结的交换偏置的矫顽力和交换偏置场分别是47和102 Oe;PVDF衬底上Ta/IrMn/Co FeB异质结的交换偏置沿d32方向时,矫顽力Hc=61.5 Oe,交换偏置场Heb=40 Oe,根据衬底的各向异性热膨胀和压电效应,利用温度和电场对交换偏置异质结的磁性能进行了调控。相比而言,电场对交换偏置的调控作用较小。
郭凯鑫[10]2017年在《磁电复合薄膜的表征及相应滤波器的设计》文中研究表明多铁性磁电复合材料自问世以来,由于其自身优异的多铁性和新颖的磁电耦合特性,广受关注,在现代电子和通信等领域展现出勃勃生机。磁电复合材料的兴起也为现代微波可调器件的设计与实现提供了新思路,成为当下功能材料研究领域一颗冉冉升起的新星,具有巨大的研究和应用价值。近年来,元素掺杂与替代机制的引入有效提高了磁电复合材料的各项性能指标,至此拉开了人们对新体系磁电复合材料设计与探索的序幕。同时,伴随着薄膜科学与技术的发展、壮大,磁电复合薄膜以其独特的魅力迅速引起研究人员的关注,无论在科学研究还是在实际应用中都取得了傲人的成果。在众多成膜技术中,基于液相-固相转变的溶胶-凝胶(Sol-gel)工艺以其制备条件简单、成膜质量高、易于掺杂、掺杂均匀度高、易于大面积制备、选择适当的条件可以合成各种新型功能材料等优点备受青睐。本文采用Sol-gel和快速热处理(Rapid Thermal Process,RTP)工艺,在成功制备了锆钛酸铅(Pb(Zr_(1-x)Ti_x)O_3,PZT)、铁酸铋(BiFeO_3,BFO)的稀土元素La~(3+)、Nd~(3+)掺杂系列以及镍锌铁氧体(Ni_(1-x)Zn_xFe2O_4,NZF)的基础上,对其电、磁学性能进行了详实的表征,从中挑选出性能更加优异的Nd~(3+)掺杂铁酸铋(Bi_(0.9)Nd_(0.1)FeO_3,BNF),用其分别作为铁电相和铁磁相,与Ni_(0.55)Zn_(0.45)Fe_2O_4及PZT进行复合,得到2-2型BNF-NZF及PZT-BNF磁电层合薄膜,并对其性能进行了系统地表征。最后,基于磁电耦合效应以及铁磁共振理论,依据文献报道的材料特征参数,设计了一款简单、互易对称、带宽为1.1 GHz的磁电层合带通滤波器结构,通过集总参数法严密的理论推导,忽略器件结构及边界条件等复杂因素,进而构建出该磁电层合滤波器的有效集总等效电路模型。同时,通过ADS软件定量分析了外加电场对铁磁共振频率漂移量的正向调节作用以及与外加磁场对滤波器S参数的影响,为新型滤波器的设计提供了一种新思路。
参考文献：
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[10]. 磁电复合薄膜的表征及相应滤波器的设计[D]. 郭凯鑫. 贵州大学. 2017
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