環(huán)境友好型BaTiO3-FeBSi、Fe-BaTiO3及 Fe-BaTiO3-FeBSi多鐵性薄膜的研究.pdf

1、多鐵性材料是一類同時(shí)具有(反、亞)鐵磁、(反)鐵電、鐵彈中兩種或兩種以上鐵性有序,并且不同鐵性序參量之間存在耦合的多功能材料,其具有豐富的物理內(nèi)涵及廣闊的應(yīng)用前景,是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。
　　 多鐵性材料按組成分類,可分為單相和復(fù)合多鐵性材料,單相多鐵性材料為人們展現(xiàn)了豐富的物理內(nèi)涵,但遺憾的是其居里溫度太低或磁電耦合較弱,難以在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮作用；復(fù)合多鐵性材料的可設(shè)計(jì)性比較強(qiáng),人們?cè)谄渲蝎@得了巨磁電耦合系數(shù),取得了突破。

2、r>　　 本文先把高磁導(dǎo)率、高壓磁系數(shù)的鐵磁／磁致伸縮材料FeBSi與廣泛研究的環(huán)境友好型無(wú)鉛鐵電／壓電材料BaTiO3(BTO)以薄膜形式復(fù)合在一起制備BTO／FeBSi復(fù)合薄膜,目前尚未見(jiàn)到其他研究小組對(duì)此種復(fù)合多鐵性薄膜的相關(guān)報(bào)道；然后改性BTO,用離子注入技術(shù)在BTO薄膜中注入Fe離子,對(duì)Fe:BTO薄膜進(jìn)行研究,同時(shí)為下一步的研究打下基礎(chǔ)；最后制備Fe:BTO／FeBSi復(fù)合薄膜,與BTO／FeBSi復(fù)合薄膜進(jìn)行比較研究。<

3、br>　　 1.結(jié)合脈沖激光沉積和離子束濺射技術(shù)制備了BTO、FeBSi單層薄膜和BTO／FeBSi復(fù)合薄膜。室溫拉曼光譜表明BTO薄膜以四方結(jié)構(gòu)存在,室溫X射線衍射表明FeBSi薄膜處于非晶態(tài)；BTO／FeBSi復(fù)合薄膜中除了基底及BTO的衍射峰外沒(méi)有其它衍射峰的存在,在X射線衍射儀探測(cè)精度內(nèi)未發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)相,BTO與FeBSi之間未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在BTO／FeBSi復(fù)合薄膜的斷面掃描電子顯微鏡圖中觀察到了FeBSi薄膜和BTO薄膜之間

4、的清晰的界面,二者是以2-2型結(jié)構(gòu)復(fù)合在一起的。BTO／FeBSi復(fù)合薄膜在室溫下同時(shí)具有良好的鐵電性和鐵磁性,并且其中存在較強(qiáng)的由應(yīng)力傳遞的磁電耦合,其是一種非常有前景的多鐵性材料,為多功能器件的開(kāi)發(fā)提供了新的材料。
　　 2.利用金屬蒸發(fā)真空電弧技術(shù)在由脈沖激光沉積制備的約590 nm厚的BTO薄膜中注入不同劑量的Fe離子,從而制得系列Fe:BTO薄膜。Fe2p的X射線光電子能譜表明Fe離子在BTO薄膜中以Fe3+形式存在。

5、用SKIM(the Stoppingand Range of Ions in Matter)軟件包模擬Fe離子在BTO薄膜中的注入深度,發(fā)現(xiàn)所有Fe離子都存在于BTO薄膜中而未進(jìn)入基底。當(dāng)Fe離子的注入劑量為3×1016cm-2和5×1016 cm-2時(shí),3×1016Fe:BTO和5×1016Fe:BTO薄膜在具有較強(qiáng)室溫鐵磁性的同時(shí)保持著良好的室溫鐵電性,在低溫下處于團(tuán)簇玻璃態(tài),其磁行為源于位置分布有一定隨機(jī)性的Fe3+磁性離子之間的

6、復(fù)雜的交換相互作用。更重要的是,3×1016Fe:BTO和5×1016Fe:BTO薄膜在發(fā)生鐵電-順電相變(四方-立方結(jié)構(gòu)相變)時(shí),Fe3+磁性離子的位置受到了影響,它們之間的交換相互作用發(fā)生了變化,從而使薄膜的磁化強(qiáng)度出現(xiàn)了突變,3×1016Fe:BTO和5×1016Fe:BTO薄膜中存在明顯的磁電耦合現(xiàn)象,并且隨著Fe離子注入劑量的增大,磁電耦合增強(qiáng)。當(dāng)Fe離子的注入劑量大于1×1016cm-2,小于8×1016 cm-2時(shí),Fe:

7、BTO薄膜可以作為一種多鐵性材料應(yīng)用在多態(tài)存儲(chǔ)器、磁場(chǎng)傳感器等多功能器件方面。
　　 3.結(jié)合脈沖激光沉積和多功能離子注入與離子束濺射系統(tǒng)制備了BTO／FeBSi、3×1016Fe:BTO／FeBSi、5×1016Fe:BTO／FeBSi復(fù)合薄膜。先用金屬蒸發(fā)真空電弧離子注入技術(shù)在BTO薄膜中注入Fe離子,得到Fe:BTO薄膜,然后再把它與FeBSi薄膜復(fù)合,制得的3×1016Fe:BTO／FeBSi、5×1016Fe:BTO／

8、FeBSi復(fù)合薄膜的磁電耦合并不比BTO／FcBSi復(fù)合薄膜的磁電耦合強(qiáng)。注入的Fe離子并不會(huì)完全進(jìn)入BTO薄膜的晶格位置,而是以一定的隨機(jī)性分布在BTO薄膜中,并在一定程度上破壞了BTO的晶格結(jié)構(gòu),離子注入這種非平衡生長(zhǎng)技術(shù)不太適合用來(lái)改變BTO的四方性,嘗試用其它的平衡生長(zhǎng)方法,比如采用脈沖激光沉積利用Ba(Ti,Fe)O3靶生長(zhǎng)Ba(Ti,Fe)O3薄膜,然后再與FeBSi薄膜復(fù)合制備Ba(Ti,Fe)O3／FeBSi復(fù)合薄膜,這