溶胶—凝胶法制备磁电复合膜的结构和性质研究

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自从上世纪60年代人类在反铁磁化合物Cr<,2>O<,3>单晶中首次发现磁电效应以来,磁电材料就一直为各国的理论和实验工作者所重视。这类材料具备独特的物理性质,在工业技术上有着广泛的应用前景。由于单相磁电材料(Cr<,2>O<,3>,BiFeO<,3>等)的磁电效应一般比较弱,且其居里温度大都远低于室温,很难用来制造应用器件,因此,人们近年来发展了铁电一铁磁复合的磁电复合材料体系。这种复合材料通过其铁电相的压电效应和铁磁相的磁致伸缩效应之间的耦合作用可以产生非常巨大的磁电效应。目前,人类在对磁电复合材料的研究上已取得了丰硕的成果,合成的磁电复合材料已有数十种。 进入21世纪以来,随着微电子技术的高速发展,人类对磁电复合材料的研究进入一个新的阶段。目前,对纳米尺度下的磁电复合材料,尤其是磁电复合膜的研究正逐渐成为该领域的一个热点。由于相关研究刚刚起步,磁电复合膜的制备技术还很不成熟,所以对此的相关报道很少。在本论文中,我们在前人的工作基础上,以Pb(Zr<,0.52>Ti<,0.48>)O<,3>(PZT)-CoFe<,2>O<,4>(CFO)磁电复合体系为研究对象,采用溶胶-凝胶的化学方法,系统研究了磁电复合薄膜和厚膜的制备、结构及其磁、电和磁电耦合性质,主要研究成果如下: (1)用溶胶-凝胶法成功制备了0-3型的15%PZT-85%CFO的磁电复合薄膜。复合薄膜中PZT和CFO均独立成相,其中CFO相以粒子形式镶嵌于PZT基体中;复合薄膜具有良好的铁电性、铁磁性,并表现出与块体材料不同的磁电耦合特性。 (2)利用用溶胶-凝胶法制备了1μm厚的PZT纯相铁电厚膜,并分别利用柠檬酸法和共沉淀法制备了平均粒径分别为200nm和30nm的CFO纳米粒子。在此基础上,以制备的两种CFO纳米粒子为原料,通过改进PZT厚膜的溶胶-凝胶法制备工艺,成功制备了厚度约为1μm的15%CFO-85%PZT两种磁电复合厚膜。对比两种复合厚膜,我们发现:以共沉淀法制得的CFO纳米粒子为原料制备的磁电复合厚膜中的CFO纳米粒子分布更加均匀,并具有更好的相结构、铁电性和铁磁性,并且两种磁电复合厚膜表现出不同的磁电耦合特性。 (3)对比磁电复合薄膜和厚膜,我们发现两者具有不同的磁电耦合特性,即对于复合薄膜,其在零偏磁场附近即具有较大的磁电电压系数α<,E>=36mV/cmOe,并且其α<,E>=36随偏磁场的增大而逐渐减小。而对于复合厚膜,其在零偏磁场附近时复合厚膜的磁电效应较小(α<,E>=9 mV/cmOe),且其α<,E>=36随着偏磁场的增大而逐渐增大。我们通过分析,将复合薄膜和厚膜的磁电耦合机制归结为应力传递为主导的、压电一压磁耦合、乘积效应协同作用的耦合机制。我们利用此耦合机制对复合薄膜和厚膜的磁电耦合特性的差异进行了解释。
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