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)，即在外加磁場下誘導(dǎo)的電極化或者由外加電場誘導(dǎo)的磁化。近年來，由于多鐵性磁電耦合材料在傳感器、換能器、濾波器、移相器、激勵器和存儲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。實驗研究了不同的鐵酸鹽含量對復(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顯示了介電色散。復(fù)合物的介電常數(shù)在較高頻率時隨著鐵酸鹽

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。對于介電常數(shù)與溫度的關(guān)系，每個復(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。這說明復(fù)合物表現(xiàn)為弛豫鐵電體。經(jīng)磁性和鐵電性能測試，表明了復(fù)合物同時表現(xiàn)為鐵磁性和鐵電性共存。復(fù)合物的飽和磁化強度(Ms)幾乎隨著鐵酸鹽含量的增加而線性增加。磁矯頑場(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和轉(zhuǎn)動隨鐵酸鹽含量的增加變得越來越困難。另外，復(fù)合物的飽和極化強度（2Ps）隨著鐵酸鹽含量的增加而減少，而剩余極化強度(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)。在電矯頑場方面，電矯頑場(2Ec)隨著鐵酸鹽含量的增大而增大，說明復(fù)合物中的鐵電區(qū)域的電疇壁的移動和轉(zhuǎn)動變得越來越困難。
　　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算，并利用本實驗制備的陶瓷樣品（Ba0.8Sr0.2TiO3和Ba0.6Sr0.4TiO3）通過X射線衍射分析計算其晶格常數(shù)， 對四方相Ba0.8Sr0.2TiO3和立方相Ba0.6Sr0.4TiO3的晶胞進(jìn)行能量計算。計算表明,四方相Ba0.8Sr0.2TiO3在其能量極小值時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, Ti離子處于氧八面體的中

6、心,沒有偏心位移。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。按照第一性原理計算，Ba0.6Sr0.4TiO3晶體中在室溫下沒有出現(xiàn)自發(fā)極化，對外不表現(xiàn)鐵電性。但是，通過鐵電性實驗測量，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源于成分波動。
　　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射線衍射和場發(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)機制在高場時滿足Schottky熱離子發(fā)射。異質(zhì)結(jié)復(fù)合薄膜同時表現(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)。通過磁電耦合性能測試，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，是以前報道的Ba0.8Sr0.2TiO3-CoFe2O4顆粒陶瓷復(fù)合物的七倍左右。并對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)合物的機制進(jìn)行了討論。另外，測試發(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