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铁性薄膜材料的制备及磁电性能表征

【摘要】:铁磁性材料铁电性材料、铁弹性材料以及同时拥有多种铁性的多铁性材料,都属于铁性材料,这是一大类数量相当庞大的非常重要的先进功能材料。本文以铁性材料为研究对象,首先对铁电性材料、铁磁性材料和多铁材料进行了简要的介绍,讨论了当前磁电复合材料的主要类型以及多铁性磁电复合薄膜的研究进展,然后对铁电薄膜和多铁性磁电复合薄膜的制备方法及磁电性能表征手段进行了介绍主要研究内容和实验结果概括为以下几个方面: 第一,研究了Bi3.5Nd0.5Ti3O12铁电薄膜的极化疲劳行为。采用溶胶-凝胶法在Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)衬底上沉积了Bi3.5Nd0.5Ti3O12铁电薄膜。研究了Bi3.5Nd0.5Ti3O12薄膜的铁电性能、疲劳特性以及漏电特性。结果表明,极化翻转次数、疲劳电压的频率、驱动电场的幅度及波形等都对Bi3.5Nd0.5Ti3O12铁电薄膜的疲劳行为有明显的影响。极化翻转次数越多,驱动电场的频率越低,驱动电场的幅度越大,Bi3.5Nd0.5Ti3O12铁电薄膜的疲劳行为越显著。关于铁电极化疲劳的机理有多种,例如电极电荷的注入、晶粒界面处电荷的堆积、反向畴成核被抑制等等。 第二,研究了热解温度对镧、锰共掺杂的铁酸铋薄膜性能的影响。分别选取在不同的温度下热解制备了Bi0.9La0.1Fe0.95Mn0.05O3(BLFMO)铁电薄膜样品。利用热失重仪(TGA)分析BLFMO原粉的质量损失,用X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)分析BLFMO薄膜的晶体结构和表面形貌。研究结果表明,随着热解温度的上升,相应地薄膜的质量有所提高,结晶度,密度以及平整度都提高了,薄膜的剩余极化值增大,漏电流密度降低。在350°C-420°C温度范围内热解的薄膜样品在外加133kV/cm的测试电场的条件下,其剩余极化Pr值从6.2μC/cm2上升到12μC/cm2,而矫顽场从63kV/cm降到42kV/cm。在420°C温度下热解的BLFMO薄膜,当外加267kV/cm测试电场时,具有标准化的电滞回线,同时其剩余极化值达到21.2μC/cm2,矫顽场为99kV/cm,漏电流密度为7.1mA/cm2。说明薄膜在此热解温度下具有较好的铁电性能。 第三,制备了La0.6Ca0.4MnO3-Bi3.4Nd0.6Ti3O12磁电复合薄膜并对其磁电性能进行了表征。采用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO2/Si(100)衬底上沉积了xLa0.6Ca0.4MnO3-(1-x)Bi3.4Nd0.6Ti3O12(x=0.3,0.4和0.5)磁电复合薄膜。薄膜的结晶情况良好,Bi3.4Nd0.6Ti3O12铁电相和La0.6Ca0.4MnO3铁磁相两相共存。通过电学和磁学性能的测试,证明La0.6Ca0.4MnO3-Bi3.4Nd0.6Ti3O12磁电复合薄膜具有良好的铁电性和磁性,同时具有明显的磁电耦合效应。 第四,研究了沉积顺序对Bi3.25Nd0.75Ti3O12-La0.6Ca0.4MnO3磁电复合薄膜性能的影响。采用溶胶-凝胶法以及旋涂工艺在Pt/Ti/SiO2/Si(100)基底上沉积出了两种不同沉积顺序的Bi3.25Nd0.75Ti3O12-La0.6Ca0.4MnO3磁电复合薄膜。研究结果表明,这两种双层结构的磁电复合薄膜都表现出良好的铁电性和铁磁性,以及一定的磁电耦合效应。由于两种不同沉积顺序的磁电复合薄膜在结构上有所不同,它们的铁电性能和铁磁性能以及磁电耦合行为也有所不同。这些结果表明沉积顺序对这种双层结构磁电复合薄膜的铁电性,铁磁性以及磁电耦合行为等都具有明显的影响。 第五,制备了(Bi,La)4Ti3O12-CoFe2O4磁电复合薄膜,并对其性能进行了表征。采用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO2/Si(100)衬底上沉积了xBLT-(1-x)CFO(x=0.5,0.6和0.7)磁电复合薄膜。薄膜的结晶情况良好,(Bi,La)4Ti3O12铁电相和CoFe2O4铁磁相两相共存。(Bi,La)4Ti3O12-CoFe2O4磁电复合薄膜具有良好的铁电性和磁性,同时具有明显的磁电耦合效应。

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