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CoFe_2O_4/P(VDF-TrFE)磁电复合材料性能研究

【摘要】:多铁性复合材料特别是兼具铁电和铁磁性的磁电复合材料,其在室温下具有较高的磁电效应,因此在微电子器件领域有着十分广阔的应用前景。其中,柔性聚合物基磁电复合材料很好的中和了无机陶瓷与聚合物材料的优点,比如陶瓷的高压电与介电值,聚合物.的柔性以及高击穿场强等。本文采用具有高压电值(d31~20 pC/N)的聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)(P(VDF-TrFE))作为磁电复合材料的压电相,高饱和磁致伸缩系数的铁酸钴CoFe204(CFO)作为铁磁相,分别采用2-2型层状复合和0-3型核-壳结构颗粒复合两种不同的连通方式制备了P(VDF-TrFE)聚合物基磁电复合膜,利用XRD、SEM、铁电测试仪、宽频介电谱仪和VSM对复合膜的晶相、组成成分、显微结构、铁电性能、介电性能、铁磁性能和磁电性能进行了测试分析。取得研究成果如下:1)采用溶胶-凝胶法在Si衬底上旋涂制备了CFO薄膜,发现在旋涂9层,700℃的退火温度下,CFO薄膜具有较好的磁性能。将CFO薄膜与P(VDF-TrFE)复合,采用275 NMV/m电场极化后,P(VDF-TrFE)层表现出本征铁电体特征;此外,发现极化后的CFO/P(VDF-TrFE)薄膜的磁化强度增大,这是因为极化电场导致了薄膜磁各向异性的变化,说明薄膜中存在强磁电耦合。最后对复合薄膜的磁电电压系数(αE31)进行理论拟合,发现当界面耦合系数k为0.5时,可以得到508.5mV/cm·Oe的大的磁电耦合系数。2)以P(VDF-TrFE)为基体,分别添加纯CFO、CFO@BT和CFO@BT@PDA纳米颗粒,制备了三种0-3型复合磁电薄膜。与添加纯CFO的薄膜相比,填充CFO@BT@PDA的薄膜表现出增强的介电、铁电与铁磁(FM)特性。尤其是CFO@BT@PDA/P(VDF-TrFE)薄膜,在低频(10-1Hz)下介电常数(εr)达到了85.7;在75MV/m的电场下,最大极化值(Pm)达到了49.5μC/c.m2;在5MV/m的电场下110℃油浴中极化30min,发现极化后复合薄膜饱和磁化值(Ms)由52.1emu/g增大到了61.7emu/g,从而说明了磁电复合膜具有强的磁电耦合效应。最后对CFO@BT/P(VDF-TrFE)复合膜的磁电电压系数通过非自洽理论(NSC)进行了显式计算,得出在CFO体积分数f为0.075时,αE33为150.58mV/cm·Oe。以上结果表明,无论是2-2型的CFO/P(VDF-TrFE)薄膜还是核壳结构的0-3型CFO@BT@PDA/P(VDF-TrFE)薄膜都具有较高的磁电电压系数,为多铁性复合膜作为存储和磁电传感器件提供了潜在的候选者;此外,这种核壳结构的柔性磁电膜也为今后研究高磁电效应的复合材料提供了一个很好的参考。

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