自組裝外延生長PZT-NFO納米復(fù)合磁電薄膜及其性能研究.pdf

1、在磁電多鐵性復(fù)合材料中,外加電場能夠使材料產(chǎn)生鐵電極化,不僅如此,磁電效應(yīng)還會(huì)誘導(dǎo)出磁應(yīng)力各向異性場。尤其是1-3維納米磁電復(fù)合薄膜,由于納米柱和基體材料的結(jié)晶生長取向有高度的一致性,而且兩相之間的界面體積比遠(yuǎn)大于層狀磁電復(fù)合薄膜,因此可以獲得很高的磁電效應(yīng),從而為下一代電場控制的磁性微器件的設(shè)計(jì)提供了更大的自由度。
　　為了拓展磁電多鐵性復(fù)合材料在可調(diào)微波器件中的應(yīng)用,本論文主要考慮兩個(gè)問題:其一,如何制備高質(zhì)量的磁電復(fù)合薄膜材

2、料,使其具有較大的磁電耦合效應(yīng);其二,從可調(diào)微波器件的應(yīng)用要求出發(fā),除了要求磁電耦合性能外,還需要復(fù)合磁電材料具有高的工作頻率和低的鐵磁共振線寬。
　　本工作選擇在MgAl2O4(MAO)(100)基片上生長 Pb(Zr0.52Ti0.48)O3-NiFe2O4(PZT-NFO)納米復(fù)合外延薄膜。為了制備性能優(yōu)異的PZT-NFO薄膜,我們進(jìn)行了一系列細(xì)致的前期工作,包括靶材燒結(jié)、基片表面處理以及底電極制備。在燒結(jié)溫度1100oC下

3、,獲得了性能良好的 PZT-NFO復(fù)合靶材?；砻嫣幚戆∕AO(100)和MAO(111)基片,其目的在于獲得原子級(jí)臺(tái)階,調(diào)控NFO納米柱的生長模式和有序度。表面形貌分析顯示經(jīng)過化學(xué)腐蝕和熱處理MAO(100)基片上具有原子級(jí)臺(tái)階,高度約0.4 nm。由于MAO基片不能直接對(duì)其上的薄膜進(jìn)行P-E測試,我們?cè)?MAO基片上制備了外延的 Fe3O4和 SrRuO3(SRO)底電極。但在后續(xù)PZT-NFO薄膜制備中,Fe3O4底電極有粉化

4、脫落的現(xiàn)象;雖然SRO在晶格匹配性上不如Fe3O4,但其化學(xué)性能穩(wěn)定,所以可用于薄膜P-E性能測試。
　　采用90°離軸磁控濺射法,我們成功地在 MAO(100)基片上自組裝生長了PZT-NFO復(fù)合磁電薄膜,詳細(xì)研究了基片溫度、氬氧比、濺射功率等因素對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明,適合生長PZT-NFO薄膜的條件為基片溫度800oC,氬氧比1:1,濺射功率160 W。XRD測試顯示,PZT-NFO薄膜為外延生長薄膜,且PZT相與

5、NFO相之間的垂直晶格失配非常小。AFM和SEM測試結(jié)果表明,薄膜具有清晰的1-3維納米復(fù)合結(jié)構(gòu),鐵磁相NFO納米柱直徑約為80~150 nm。降低氬氧比有助于NFO相的形成,但濺射功率過大會(huì)造成1-3維結(jié)構(gòu)向無規(guī)則0-3維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。磁性能測量表明納米復(fù)合薄膜的飽和磁化強(qiáng)度在120~160 kA/m之間,低于塊體的NFO相。P-E測試表明PZT-NFO的飽和極化強(qiáng)度為6.9μC/cm2。薄膜樣品的FMR測試顯示,PZT-NFO薄膜的峰-