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YIG/PZT基磁电复合材料的制备及其磁电效应研究

【摘要】:随着对下一代轻质、紧凑、高效、节能电磁功能元器件需求的日益增长,探索具有高磁电效应、低功耗、可集成、多功能的磁电材料新体系已成为当前的研究热点。由磁致伸缩相(压磁相)和压电相(电致伸缩相)组成、应变调制的磁电复合材料由于具有磁性相和铁电相独立可调的优点,且在室温下可供选择的材料种类非常丰富,使其在磁电随机存取存储器、磁场传感器、可调谐射频微波器件和低功耗自旋电子设备等领域具有较好的应用前景。电场调控的磁电效应相比磁场调控的磁电效应功耗更低,响应更快,受到研究人员的广泛关注。钇铁石榴石(Y_3Fe_5O_(12),YIG)材料因其在微波频段的磁损耗低,铁磁共振线宽窄,磁晶各向异性小等优良特性,被大量用作磁电复合材料的铁磁相,进行电场对微波铁磁共振效应的调控,进一步实现电场对磁各向异性、磁阻及非挥发磁化翻转行为的研究。与YIG复合构成磁电复合材料的铁电材料主要有BST、PZT、PMN-PZT等。其中,YIG/PZT和YIG/PMN-PZT属于应变介导的复合材料。在大多数复合体系中,YIG常是微米级的厚膜,用环氧树脂与压电陶瓷或单晶粘合在一起,这势必会削弱磁电耦合效应的发挥。为了避免中间粘结层对界面弹性耦合的削弱,并满足新型磁电元器件对材料轻小化、可集成的要求,本论文构筑的第一种复合结构即为沉积于SiO_2/Si基底之上的PZT/YIG双层薄膜复合体系。首先分别优化YIG和PZT薄膜的制备工艺,提升各相性能,再进行相关的调谐性能测试。又为了进行直接的逆磁电耦合效应研究,实现电场对YIG薄膜磁化强度的调控,以及排除钳位和漏导效应,本论文构筑的第二种复合结构即YIG薄膜/PMN-PZT陶瓷的准2-2型磁电复合体系,并进行相应的磁电性能测试。本论文的主要研究内容和结果如下:1.性能优异无裂纹的YIG薄膜制备(1)采用射频磁控溅射法在SiO_2/Si衬底上沉积YIG薄膜,探究退火工艺包括退火温度和退火降温速率对YIG薄膜微结构和磁性能的影响。当退火温度为750°C,退火降温速率为1°C/min时,获得均匀致密无裂纹的YIG薄膜。(2)探究溅射Ar气压对YIG薄膜成分和磁性能的影响,并提升YIG薄膜磁性能。当溅射气压为0.55 Pa时,得到符合化学计量比,饱和磁化强度高达1.35kG,矫顽场低至9.76 Oe的YIG薄膜,其铁磁共振线宽低至5.18 mT,为进一步降低YIG薄膜基微波器件的磁损耗奠定了基础。2.择优取向、性能优异的Pb(Zr_(0.53)Ti_(0.47))O_3薄膜制备探究底电极(LNO/Pt、LNO)和薄膜厚度对PZT薄膜电性能的影响。厚度为480 nm的PZT薄膜具有最优的铁电、压电和介电性能。在LNO上生长480 nm的PZT薄膜具有良好的电学性能,如饱和极化强度为53.36μC/cm~2,压电系数为83.14 pm/V,最大介电常数为955(@39 kV/cm),介电调谐率为60.74%(@245kV/cm),相比在LNO/Pt上生长的薄膜具有更低的矫顽场(73.35 kV/cm)和介电损耗(2.4~7.7×10~(-4))。因此优选LNO为构筑PZT/YIG磁电复合薄膜的底电极。3.低磁损耗Pt/PZT/LNO/YIG/SiO_2/Si磁电复合薄膜的制备与性能研究采用优化的薄膜工艺,制备Pt/PZT/LNO/YIG/SiO_2/Si磁电复合薄膜,得到的复合薄膜保持了各相相应的磁、电性能。PZT/YIG复合薄膜的饱和磁化强度为1.38 kG,饱和极化强度高达43.47μC/cm~2,压电系数达74.84 pm/V。其铁磁共振线宽与单层YIG薄膜的铁磁共振线宽相近,当磁场平行薄膜表面时,铁磁共振线宽仍保持较低的值(10 mT)。4.YIG/Pt/PMN-PZT/Pt磁电复合材料的制备及其磁电效应研究(1)在两面抛光的PMN-PZT陶瓷上用磁控溅射法沉积Pt电极和YIG薄膜。首次在该复合体系中实现了电场对磁化强度的直接调控,并探究了应变调控能力与薄膜的磁化状态的关系。陶瓷逆压电效应产生的应变可以调控薄膜的磁晶各向异性,引起易磁化轴的偏转,导致磁化强度差值的出现,并随偏置磁场的降低而增加。应变引起的磁化强度变化?M/M_(0i)和磁电耦合系数在YIG薄膜的矫顽场处达到最大值(分别为7.0%和10.9×10~(-8) s/m),甚至在无外磁场的情况下,仍有较大的磁电耦合系数(5.6×10~(-8) s/m)。(2)探究了YIG薄膜厚度对磁电效应的影响。对于特定的YIG厚度,最大磁电耦合系数总是发生在陶瓷的矫顽电场(4.1 kV/cm)和薄膜的矫顽磁场(20Oe)处;而对于某一偏置磁场,磁电耦合系数随YIG薄膜厚度的增加而增大,在YIG厚度为600 nm的复合结构中观察到的最大的磁电耦合系数(3.1×10~(-7) s/m)是LSMO薄膜/PMN-PT(001)单晶体系中获得的5倍。

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