外延NFO/PZT复合薄膜磁电耦合性能研究

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随着当今社会信息技术的飞速发展,器件的小型化、多功能化已经成为未来发展的必然趋势。多铁材料由于集电序参量与磁序参量于一身,能满足器件小型化多功能化的需求,而受到人们的关注。单相多铁材料由于其室温下磁电耦合信号弱的缺点,限制了其应用。层状复合材料则可以有效解决这一问题。为提高层状复合材料的磁电耦合响应,本文依托自动化磁电测试系统,通过改变磁电复合材料的应变、两相的体积比、元素掺杂等因素调控层状复合材料磁电耦合性能,主要的实验结果如下:1、用脉冲激光沉积法(PLD)在(001)取向Sr Ti O3(STO)单晶衬底上分别制备了Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT)铁电薄膜和Ni Fe2O4(NFO)磁性薄膜,通过对薄膜生长工艺的探索,得到两种薄膜最优的生长工艺参数如下:PZT薄膜生长温度580℃,生长氧压30 Pa,靶基距50 mm,激光频率3 Hz,激光能量250 m J,退火氧压1000 Pa。NFO薄膜生长温度670℃,生长氧压15 Pa,靶基距50 mm,激光频率5 Hz,激光能量300 m J。XRD测试结果表明,薄膜均沿着(001)晶面取向生长,结晶性良好。AFM结果表明薄膜表面光滑平整,晶粒大小均匀。电学性能以及磁学测试结果表明PZT薄膜和NFO薄膜具有良好的铁电性以及铁磁性。2、使用PLD法在(001)取向STO单晶衬底上外延生长NFO/PZT异质结。不同厚度的PZT层生长在衬底和NFO层之间,PZT层作为压电层并有效地减小了衬底对磁性层施加的机械约束。PZT和NFO层中的失配应变随着PZT厚度的增加而减小。异质结的铁电、磁和磁电特性均表现出PZT厚度依赖性,并且实现了大的磁电耦合系数,当PZT厚度为170 nm时,磁电系数可以达到240 m V/cm?Oe。通过理论计算发现当界面耦合系数k=0.2时,实验数据与计算结果吻合较好。磁电容测量进一步证实了两相间的磁电耦合效应,并且在PZT厚度为170 nm的异质结中显示出~10%的磁介电响应。该工作表明可以通过铁电层和铁磁层之间的厚度比调控磁电耦合响应。3、研究了锌的掺杂量对Ni(1-x)ZnxFe2O4/PZT(x=0-0.25,NZFO/PZT)复合薄膜的磁电耦合效应的影响。详细研究了NZFO/PZT复合薄膜的结构、磁性、铁电性以及磁电耦合性能。结果显示Zn掺杂对磁电效应有明显的调控作用,当锌的比例为0.15时,复合薄膜体系可以达到最大的磁电耦合系数328 m V/cm?Oe。磁电容测量进一步证实了两相间磁电耦合效应,并探究了直流磁场对复合薄膜的磁电容的影响,结果显示随着直流磁场的增加,磁电容呈现先增加后减小的趋势。
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