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磁电复合材料的制备及其应用研究

【摘要】:多铁材料作为多重性能的复合材料,能够满足新型电子器件多功能化的要求,成为当今材料领域的研究热点。在多铁材料体系中,铁磁材料和铁电材料共存耦合所产生的磁电效应,其蕴含的耦合机制及可预期的应用前景,备受人们关注。在多铁领域中,对磁电效应的探索工作大部分是通过给铁电材料施加电场,研究电场对铁磁材料磁性能的调控。而本论文从铁磁材料的微观结构出发,旨在探究铁磁薄膜/铁电衬底异质结中,铁磁薄膜的微观结构、复杂各向异性来源等对磁电效应的影响。因此本论文首先制备了两种磁致伸缩材料FeSiBC和CoFeB薄膜。随后,利用倾斜溅射方式将上述材料沉积到压电单晶PMN-PT衬底上,形成FeSiBC/PMN-PT及CoFeB/PMN-PT异质结,并对两种异质结的电控磁性能进行详细研究。具体内容简述如下:1、FeSiBC磁致伸缩材料的制备。首先,利用直流磁控溅射手段,制备不同厚度的FeSiBC薄膜。发现当薄膜厚度超过临界值以后,将出现面外磁化分量,导致薄膜的软磁性能恶化。通过对厚膜插入非磁性Cu层,磁性CoFe层、CoCu层,可实现对多层膜(FeSiBC/Y)_n软磁性能、磁致伸缩系数以及压磁系数的调控。最终,通过对比,获得了最佳多层膜(FeSiBC/Cu)_n的性能参数为:H_c~1.5 Oe,M_r/M_s=95%,H_k~16 Oe。2、CoFeB软磁材料的研究。鉴于FeSiBC材料在高频方面表现不佳,本论文还研究了CoFeB薄膜的制备工艺条件及倾斜溅射CoFeB薄膜。在倾斜溅射过程中发现,当倾斜溅射角度(15°)较小时,通过基片自转,CoFeB薄膜的磁谱会出现双共振峰现象。然而,提高倾斜角度至45°到55°的范围以后,薄膜的M-H曲线和MOKE曲线均表现为蜂腰状。这两种磁致伸缩材料的成功研制,为后续制备铁磁薄膜/铁电衬底异质结奠定了良好的基础。3、FeSiBC/PMN-PT异质结的磁电性能。首先,探究了该异质结中巨单轴各向异性的来源,并确定了PMN-PT表面铁电畴结构可以传递到磁性薄膜中,从而诱导出各向异性。同时研究了FeSiBC(倾斜溅射)/PMN-PT和FeSiBC(倾斜溅射+诱导磁场)/PMN-PT异质结M_r/M_s-E曲线分别呈现出loop-like和butterfly-like形状的内在原因。利用AFM、SEM形貌表征以及快速傅里叶变换分析,得出倾斜溅射的FeSiBC薄膜中,界面结构形成了钉扎点和能量势垒。从而影响了PMN-PT表面层极化矢量的翻转。相反,在FeSiBC(倾斜溅射+诱导磁场)/PMN-PT异质结中,由于外加磁场的引入,使得FeSiBC和PMN-PT界面变得平坦,PMN-PT表面层的极化矢量翻转变得更加容易,因此出现了与PMN-PT衬底应力-电场曲线类似的butterfly-like的M_r/M_s-E曲线。这一实验现象的研究为电控磁化矢量的翻转提供了新的思路。4、CoFeB/PMN-PT异质结的磁电性能。首先对CoFeB/[100]PMN-PT和CoFeB/[011]PMN-PT异质结的静态磁性能进行对比,证实了铁电畴更丰富的[011]PMN-PT衬底对磁性薄膜的磁性能影响更大。进一步,研究了CoFeB(150 nm,15°倾斜溅射)/PMN-PT异质结的磁电性能,得出其磁化矢量在电场的作用下,可以实现90°翻转,M_r/M_s值的可调范围达到75%。而CoFeB(350 nm,51°倾斜溅射)/PMN-PT异质结在[100]方向M_r/M_s-E曲线的可调范围仅为35%,且在[01-1]方向的Mr/Ms值基本不变。证明薄膜厚度小,倾斜角度适合的情况下才可以获得更好的磁电效应。

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