原位成型BTO-NZFO納米晶復(fù)相多鐵薄膜的形成及性能研究.pdf

1、為適應(yīng)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(dāng)今材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)。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(fù)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(fù)相多鐵材料中，1-3型復(fù)相多鐵材料因其理論上具有較強(qiáng)的磁電耦合效應(yīng)而成為復(fù)相多鐵材料研究的主要對(duì)象之一。但多種鐵性間相互抑制、導(dǎo)電性相對(duì)較高的鐵氧體間接觸易產(chǎn)生大的漏電流和制備工藝復(fù)雜等問(wèn)題，制約了這種材料的實(shí)

2、際應(yīng)用。
　　針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本文以常見(jiàn)的BaTiO3(BTO)-Ni0.5Zn0.5Fe2O4(NZFO)復(fù)相薄膜為研究對(duì)象，磁控濺射法為制備手段，通過(guò)研究制備工藝與材料結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系、材料微結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系、多種鐵性之間的關(guān)系等，對(duì)復(fù)相多鐵材料的形成、各種鐵性的產(chǎn)生、控制以及各種鐵性之間耦合等方面開(kāi)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(fù)相多鐵薄膜。在薄膜制備過(guò)程中，通過(guò)控制薄膜厚度

3、及熱處理溫度，實(shí)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)，抑制了晶體內(nèi)部正常格點(diǎn)間的電子躍遷，大大降低了漏電流和介電損耗。使BTO-NZFO復(fù)相多鐵薄膜材料的介電損耗降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，達(dá)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(fù)相薄膜，并獲得兼具最佳電、磁性能的復(fù)合材料組成范圍。通過(guò)晶粒納米化、控制鐵電相組成含量，實(shí)現(xiàn)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(dǎo)電性的磁性 NZFO顆粒間既不接觸又非?？拷＿@種特殊結(jié)構(gòu)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(dá)到介電滲流閾值(fNZFO=0.5)時(shí)，一方面滲流效應(yīng)的產(chǎn)生使得復(fù)相薄膜的介電常數(shù)達(dá)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(dǎo)率提高33%。
　　再則，成功原位制備出具有高磁電耦合效應(yīng)的復(fù)相多鐵薄膜。結(jié)合復(fù)相薄膜法向、徑向滲流閾值的各向異性，

5、及硅單晶(111)面對(duì) NZFO晶格(100)取向的誘導(dǎo)作用，通過(guò)控制制備工藝、基板和膜厚等實(shí)現(xiàn)復(fù)相薄膜內(nèi)取向鐵磁相納米顆粒法向接觸、徑向隔離的微結(jié)構(gòu)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(fù)相薄膜。此復(fù)相薄膜在BTO居里點(diǎn)處的磁化強(qiáng)度突變高達(dá)9.2%。
　　進(jìn)一步，從理論上對(duì)上述復(fù)相多鐵薄膜的形成機(jī)制、性能產(chǎn)生與控制關(guān)系等進(jìn)行了深入的研究，得到了以下結(jié)論。
　　(1)通過(guò)控制濺射工藝、熱處

6、理?xiàng)l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(fù)相薄膜，建立了晶界兩側(cè)的原子擴(kuò)散與納米晶固溶體的尺寸和固溶比例之間的關(guān)系。揭示了復(fù)相薄膜納米晶固溶體的形成機(jī)理，同時(shí)探討了制備工藝與晶相結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)，為制備特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)相薄膜提供了工藝上的理論支持。
　　(2)通過(guò)制備不同厚度BTO-NZFO復(fù)相薄膜，探討了厚度對(duì)晶相含量、晶粒尺寸、元素價(jià)態(tài)的影響，進(jìn)而得到基板應(yīng)力對(duì)結(jié)晶活化能和晶相含量的控制關(guān)系，完整

7、地揭示了復(fù)相薄膜中結(jié)晶活化能及晶相含量沿薄膜法向的梯度分布關(guān)系，和對(duì)復(fù)相薄膜電磁性能的控制關(guān)系。
　　(3)根據(jù)材料的實(shí)際結(jié)構(gòu)及不同體系中相應(yīng)的阻容關(guān)系，建立起具有廣泛適應(yīng)性的全電路模型。揭示了組成相與復(fù)相材料之間綜合介電性能的控制關(guān)系，特別是組成相間的阻抗分配對(duì)復(fù)相材料的介電性能在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變閾值附近的突變行為的控制，從而闡明了復(fù)相材料產(chǎn)生介電滲流現(xiàn)象的本質(zhì)。
　　(4)從NZFO納米晶的磁化機(jī)制出發(fā)，通過(guò)分析晶相尺寸和各

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