磁场下CoFe2O4基复合薄膜的制备及其物性研究

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复合磁电多铁性薄膜材料同时具备两种或以上铁性(铁电性,(反)铁磁性,铁弹性等)之间的耦合协同作用,因此具备了广阔的应用前景。BaTiO3(BTO)和CoFe2O4(CFO)因为优异的物理和化学特性成为复合多铁性材料体系的最优组合之一,但是因为较小的磁电耦合效应而使其在应用前景上受到很大限制。磁场在热处理过程中会对材料产生诸多影响,被认为是改善复合多铁性材料性能的有效手段之一。  本文通过化学溶液沉积法(CSD)制备了CFO薄膜和BTO/CFO多层膜,详细研究了磁场退火对上述薄膜微结构和性能的影响,具体内容如下:  (1)首先采用化学溶液沉积法在Si(100)单晶基片上制备了CFO薄膜,在烧结过程中分别引入平行和垂直膜面方向的磁场,研究了不同磁场退火方式对CFO薄膜微结构及性能的影响。由于磁场对薄膜晶粒生长的促进作用,磁场退火CFO薄膜的致密度及颗粒的连通性增加。同时发现在不同取向的磁场下诱导生长的CFO薄膜中具有不同的颗粒形态和轴向应力,而且磁场有可能改变Co2+离子在尖晶石结构中的占位,并使得多晶易磁化轴向磁场方向转动,多种因素的共同作用最终导致磁场退火的CFO薄膜饱和磁化强度增加和磁各向异性增强;  (2)通过优化BTO/CFO多层薄膜的制备工艺制得了结晶性良好的多层膜,研究了薄膜厚度的改变对其微结构和性能的影响。随着薄膜总厚度的逐渐增加,薄膜中的颗粒尺寸逐渐增大,边界逐渐减少,应力逐渐弛豫,同时薄膜中微裂纹的数量也随薄膜厚度的增加而增加,并对薄膜的性能产生了重要影响。薄膜的铁电和介电性能随厚度的增加得到改善,饱和磁化强度开始呈上升趋势,但微裂纹数目的增加和不均匀分布又导致了薄膜较厚时饱和磁化强度的下降及矫顽场的增大,对薄膜性能产生不利影响,研究给出了这一体系多层膜最佳的厚度约为500~600nm。通过对薄膜磁介电性能的测量和分析表明,引起不同厚度薄膜中磁介电变化的主要原因是磁阻效应与麦克斯韦-瓦格纳效应的综合作用。  (3)在以上BTO/CFO多层薄膜厚度效应的研究基础上,开展了磁场退火对不同厚度BTO/CFO多层膜微结构和性能等的影响。研究发现与无磁场退火相比,经磁场退火的多层膜中具有更大的颗粒尺寸和更小的应力,薄膜的铁电、介电和磁性能都得到了明显的改善,通过综合比较磁场对不同厚度多层膜微结构和性能的影响我们得出结论:薄膜厚度越小,磁场退火效应越明显,随着薄膜厚度的增加磁场对薄膜微结构和性能的影响逐渐减小。  总的来说,磁场退火对CFO基磁电复合薄膜的微结构和磁电性能产生明显的影响,磁场退火是改善磁电复合薄膜磁电性能的有效方法,同时本论文也为开展其它体系的复合磁电材料在磁场下的研究工作提供了重要的参考。
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