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铁磁-铁电多铁性材料不但同时具有铁磁性和铁电性,而且还能产生磁电效应,即能实现磁电或电磁之间的转换,因此可以使得能量在磁场和电场之间自由转换,从而使其在传感器、换能器、检测器等领域有着广阔的应用前景。由铁磁相和铁电相复合而成的多铁性复合材料能够通过对铁磁相和铁电相的调制而满足多种多样的应用要求。本文采用溶胶凝胶法结合旋涂匀胶工艺从制备单相CFO磁性薄膜和PZT铁电薄膜出发,研究了煅烧温度、溶胶浓度对薄膜的相组成、微结构及性能的影响,并研究了CFO薄膜的厚度对2-2型CFO-PZT磁电复合薄膜的性能的影响。
本论文首先用共沉淀法,溶胶凝胶法,柠檬酸溶胶凝胶法制备了CFO粉体,并对粉体的相结构,微观形貌以及磁性能进行了分析。在相同的煅烧温度下,柠檬酸溶胶凝胶法制备的CFO粉体纯度比较高,磁性能更加优良。然后采用溶胶凝胶法制备了PZT粉体,并对粉体的相结构,晶粒微观形貌进行了分析。在700℃的煅烧温度下,PZT粉体结晶良好,平均粒径在100nm左右。
采用旋涂匀胶工艺制备了单相CFO磁性薄膜和PZT铁电薄膜,主要分析了不同煅烧温度对CFO薄膜表面的相结构、微观形貌和磁性能的影响,结果表明CFO薄膜在700℃煅烧后结晶良好,最大饱和磁化强度为358.45emu·cm-3。PZT薄膜在700℃煅烧后结晶良好,与基片相界面清晰平整,并显示了良好的铁电性,最大的饱和极化强度和剩余极化强度分别为42μC·cm-2和11μC·cm-2。
确定了薄膜的最佳煅烧温度后,通过改变CFO薄膜的厚度研究其对2—2型CFO-PZT磁电复合薄膜的磁性能,电性能和磁电性能的影响。磁电复合薄膜在700℃煅烧时,除了CFO相、PZT相和基片相,没有其他第二相存在。复合薄膜中晶粒致密,没有产生裂纹。单层CFO薄膜的厚度约为49nm,单层PZT薄膜的厚度约为50nm。复合薄膜呈现层状结构,CFO相与PZT相之间的界面清晰,没有发生扩散现象。磁电复合薄膜中同时具有铁磁性和铁电性,由于引入了电导率较大的铁磁性材料CFO,复合薄膜的饱和磁化强度低于纯CFO薄膜的饱和磁化强度值,铁电性能因为CFO相的稀释作用低于纯PZT相。磁电复合薄膜中呈现出强烈的磁电效应,随着磁性层厚度的增加,磁电效应逐渐增强。其中2-2型磁电复合薄膜P2C4P2C4P2的磁电效应强度远远高于0—3型复合薄膜,这使得2-2型CFO-PZT磁电复合薄膜能够在实际应用中具有更大的潜力。