多鐵性磁電耦合復(fù)合材料(Ba,Sr)TiO3-CoFe2O4的制備與性能研究.pdf

1、多鐵性磁電材料不僅同時(shí)表現(xiàn)鐵電性和鐵磁性，而且具有磁電耦合效應(yīng)，即在外加磁場(chǎng)下誘導(dǎo)的電極化或者由外加電場(chǎng)誘導(dǎo)的磁化。近年來(lái)，由于多鐵性磁電耦合材料在傳感器、換能器、濾波器、移相器、激勵(lì)器和存儲(chǔ)器等中的廣泛和潛在的應(yīng)用，引起了研究者們極大的興趣。
　　本文采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)法分別制備了(1-x)Ba0.8Sr0.2TiO3-xCoFe2O4(x=0.1,0.2,0.3與0.4)和(1-x)Ba0.6Sr0.4TiO3-xCoFe2O4

2、(x=0.15，0.3與0.45)的0-3型多鐵性顆粒陶瓷復(fù)合物。X射線(xiàn)衍射和環(huán)境掃描電鏡（ESEM）分析，顯示了復(fù)合物由四方鈣鈦礦Ba0.8Sr0.2TiO3相（或立方鈣鈦礦Ba0.6Sr0.4TiO3相）和立方尖晶石CoFe2O4相組成，未發(fā)現(xiàn)中間相和其它雜相。實(shí)驗(yàn)研究了不同的鐵酸鹽含量對(duì)復(fù)合物的介電、鐵磁和鐵電性質(zhì)的影響。研究表明，復(fù)合物的介電常數(shù)和介電損耗隨頻率的變化在低頻時(shí)顯示了介電色散。復(fù)合物的介電常數(shù)在較高頻率時(shí)隨著鐵酸鹽

3、含量的增加而減小，而介電損耗隨著鐵酸鹽含量的增加而增加。對(duì)于介電常數(shù)與溫度的關(guān)系，每個(gè)復(fù)合物的介電常數(shù)隨溫度的增加而增加直至峰值，然后隨溫度的增加而下降。介電常數(shù)隨頻率的增加而減少。另外，鐵電居里溫度(Tc)隨頻率增加移至更高的溫度。這說(shuō)明復(fù)合物表現(xiàn)為弛豫鐵電體。經(jīng)磁性和鐵電性能測(cè)試，表明了復(fù)合物同時(shí)表現(xiàn)為鐵磁性和鐵電性共存。復(fù)合物的飽和磁化強(qiáng)度(Ms)幾乎隨著鐵酸鹽含量的增加而線(xiàn)性增加。磁矯頑場(chǎng)(Hc)隨著鐵酸鹽含量的增加而增加,表明

4、在復(fù)合物中的磁疇壁的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)隨鐵酸鹽含量的增加變得越來(lái)越困難。另外，復(fù)合物的飽和極化強(qiáng)度（2Ps）隨著鐵酸鹽含量的增加而減少，而剩余極化強(qiáng)度(2Pr)隨鐵酸鹽含量的增加而增加。復(fù)合物鐵電性的提高可能歸因于復(fù)合物中空間電荷的貢獻(xiàn)。在電矯頑場(chǎng)方面，電矯頑場(chǎng)(2Ec)隨著鐵酸鹽含量的增大而增大，說(shuō)明復(fù)合物中的鐵電區(qū)域的電疇壁的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)變得越來(lái)越困難。
　　在理論方面，為了從微觀結(jié)構(gòu)上解釋多鐵顆粒復(fù)合陶瓷中的鐵電基體—鈦酸鍶鋇鈣鈦礦結(jié)

5、構(gòu)的鐵電性產(chǎn)生的原因，本文采用第一性原理計(jì)算，并利用本實(shí)驗(yàn)制備的陶瓷樣品（Ba0.8Sr0.2TiO3和Ba0.6Sr0.4TiO3）通過(guò)X射線(xiàn)衍射分析計(jì)算其晶格常數(shù)， 對(duì)四方相Ba0.8Sr0.2TiO3和立方相Ba0.6Sr0.4TiO3的晶胞進(jìn)行能量計(jì)算。計(jì)算表明,四方相Ba0.8Sr0.2TiO3在其能量極小值時(shí)Ti離子的C軸偏心位移為3pm,而立方相Ba0.6Sr0.4TiO3的能量最低時(shí), Ti離子處于氧八面體的中

6、心,沒(méi)有偏心位移。晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷分離導(dǎo)致了自發(fā)極化的產(chǎn)生。按照第一性原理計(jì)算，Ba0.6Sr0.4TiO3晶體中在室溫下沒(méi)有出現(xiàn)自發(fā)極化，對(duì)外不表現(xiàn)鐵電性。但是，通過(guò)鐵電性實(shí)驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)室溫下表現(xiàn)為明顯的鐵電性。Ba0.6Sr0.4TiO3室溫下的鐵電性可能來(lái)源于成分波動(dòng)。
　　為了與微電子集成工藝兼容，本文還利用射頻磁控濺射法在Pt/TiO2/SiO2/Si(100)基片上分別沉積了CoFe2O4/Ba0.8Sr0.2Ti

7、O3（Ba0.8Sr0.2TiO3薄膜作為底層, CoFe2O4薄膜作為頂層）和Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4（CoFe2O4薄膜作為底層, Ba0.8Sr0.2TiO3薄膜作為頂層）的2-2型層狀異質(zhì)結(jié)磁電復(fù)合薄膜。X射線(xiàn)衍射和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FSEM）分析，表明了異質(zhì)結(jié)復(fù)合薄膜是多晶的，由四方鈣鈦礦Ba0.8Sr0.2TiO3相和立方尖晶石 CoFe2O4相組成，未發(fā)現(xiàn)中間相和其它雜相。而且，定性地分析了異質(zhì)結(jié)復(fù)合薄膜

8、的電導(dǎo)機(jī)制在高場(chǎng)時(shí)滿(mǎn)足Schottky熱離子發(fā)射。異質(zhì)結(jié)復(fù)合薄膜同時(shí)表現(xiàn)出明顯的鐵電性和鐵磁性，其性能分別與純Ba0.8Sr0.2TiO3和純CoFe2O4薄膜的性能相當(dāng)。通過(guò)磁電耦合性能測(cè)試，在異質(zhì)結(jié)復(fù)合薄膜中觀察到了直接的磁電耦合效應(yīng)，CoFe2O4/Ba0.8Sr0.2TiO3磁電復(fù)合薄膜中的最大磁電電壓系數(shù)是5.0 mV/cm Oe，是以前報(bào)道的Ba0.8Sr0.2TiO3-CoFe2O4顆粒陶瓷復(fù)合物的七倍左右。并對(duì)CoFe2

9、O4/Ba0.8Sr0.2TiO3異質(zhì)結(jié)復(fù)合薄膜的磁電電壓系數(shù)大于Ba0.8Sr0.2TiO3-CoFe2O4顆粒陶瓷復(fù)合物的機(jī)制進(jìn)行了討論。另外，測(cè)試發(fā)現(xiàn)Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4異質(zhì)結(jié)復(fù)合薄膜最大的磁電電壓系數(shù)是9.4mV/cm Oe，這個(gè)值大于CoFe2O4/Ba0.8Sr0.2TiO3異質(zhì)結(jié)復(fù)合薄膜的最大磁電電壓系數(shù)。并對(duì)異質(zhì)結(jié)復(fù)合薄膜Ba0.8Sr0.2TiO3/ CoFe2O4的磁電電壓系數(shù)大于異質(zhì)結(jié)復(fù)合薄