原位成型BTO-NZFO納米晶復相多鐵薄膜的形成及性能研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、為適應電子器件小型化和多功能化的發(fā)展趨向,具有多種鐵性共存和多種鐵性之間相互耦合特性的多鐵材料成為了當今材料科學研究的熱點。自然界中單相多鐵材料的匱乏及其在室溫下的低多鐵性能使復相多鐵材料成為制備新一代電子器件的理想材料。在各類復相多鐵材料中,1-3型復相多鐵材料因其理論上具有較強的磁電耦合效應而成為復相多鐵材料研究的主要對象之一。但多種鐵性間相互抑制、導電性相對較高的鐵氧體間接觸易產生大的漏電流和制備工藝復雜等問題,制約了這種材料的實

2、際應用。
  針對上述存在的問題,本文以常見的BaTiO3(BTO)-Ni0.5Zn0.5Fe2O4(NZFO)復相薄膜為研究對象,磁控濺射法為制備手段,通過研究制備工藝與材料結構之間的關系、材料微結構與性能之間關系、多種鐵性之間的關系等,對復相多鐵材料的形成、各種鐵性的產生、控制以及各種鐵性之間耦合等方面開展了大量的工作,并取得了如下成果。
  首先,成功制備出介電損耗極低的復相多鐵薄膜。在薄膜制備過程中,通過控制薄膜厚度

3、及熱處理溫度,實現體系中晶粒的納米化和兩相晶粒的均勻分布,使其在薄膜中形成大量具有晶格畸變的晶界網絡,抑制了晶體內部正常格點間的電子躍遷,大大降低了漏電流和介電損耗。使BTO-NZFO復相多鐵薄膜材料的介電損耗降低一個數量級以上,達到了0.009的低值。
  其次,成功制備出電磁兩相性能優(yōu)異的多鐵復相薄膜,并獲得兼具最佳電、磁性能的復合材料組成范圍。通過晶粒納米化、控制鐵電相組成含量,實現薄膜中鐵磁相納米晶周圍的近單層鐵電相納米晶

4、包覆,使高導電性的磁性 NZFO顆粒間既不接觸又非??拷?。這種特殊結構使磁滲流閾值比電滲流閾值大幅前移,其鐵磁相含量組成分別為38%和50%。即NZFO含量達到介電滲流閾值(fNZFO=0.5)時,一方面滲流效應的產生使得復相薄膜的介電常數達到150;另一方面,鐵磁相之間的磁通訊不被切斷,材料仍保持正常的高磁性能磁導率提高33%。
  再則,成功原位制備出具有高磁電耦合效應的復相多鐵薄膜。結合復相薄膜法向、徑向滲流閾值的各向異性,

5、及硅單晶(111)面對 NZFO晶格(100)取向的誘導作用,通過控制制備工藝、基板和膜厚等實現復相薄膜內取向鐵磁相納米顆粒法向接觸、徑向隔離的微結構特征的一次成型。即原位制備出取向NZFO類一維納米線沿法向嵌入BTO基體的復相薄膜。此復相薄膜在BTO居里點處的磁化強度突變高達9.2%。
  進一步,從理論上對上述復相多鐵薄膜的形成機制、性能產生與控制關系等進行了深入的研究,得到了以下結論。
  (1)通過控制濺射工藝、熱處

6、理條件和相組成獲得了具有不同晶粒尺寸和兩相間離子取代比例的 BTO-NZFO復相薄膜,建立了晶界兩側的原子擴散與納米晶固溶體的尺寸和固溶比例之間的關系。揭示了復相薄膜納米晶固溶體的形成機理,同時探討了制備工藝與晶相結構之間的關聯,為制備特殊結構的復相薄膜提供了工藝上的理論支持。
  (2)通過制備不同厚度BTO-NZFO復相薄膜,探討了厚度對晶相含量、晶粒尺寸、元素價態(tài)的影響,進而得到基板應力對結晶活化能和晶相含量的控制關系,完整

7、地揭示了復相薄膜中結晶活化能及晶相含量沿薄膜法向的梯度分布關系,和對復相薄膜電磁性能的控制關系。
  (3)根據材料的實際結構及不同體系中相應的阻容關系,建立起具有廣泛適應性的全電路模型。揭示了組成相與復相材料之間綜合介電性能的控制關系,特別是組成相間的阻抗分配對復相材料的介電性能在拓撲結構轉變閾值附近的突變行為的控制,從而闡明了復相材料產生介電滲流現象的本質。
  (4)從NZFO納米晶的磁化機制出發(fā),通過分析晶相尺寸和各

8、向異性場對矯頑場的控制關系,揭示了納米尺度下,硬磁性顆粒通過磁交換使相鄰軟磁性顆粒發(fā)生硬化的特性。進而闡明了納米晶復相薄膜在磁滲流閾值附近產生矯頑力突變的本質是由于磁交換作用引起各向異性場對矯頑力的正??刂脐P系發(fā)生偏離。
  (5)從NZFO的介電和磁響應的機理出發(fā),一方面揭示了NZFO晶相格點間跳躍電子對和超交換耦合磁矩對晶相電磁性能的方位控制關系,為進一步提高復相材料的電磁性能提供了理論依據;另一方面,根據BTO相在居里點處的

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