2-2型CoFe2O4/PMN–PT复合薄膜取向生长与磁电耦合效应

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qgz111
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多铁性磁电材料不但同时具有铁电、铁磁等单一铁性,而且由于电荷序和自旋序之间的耦合作用而产生新的效应,称为“磁电效应”,在新型磁电存储器件、自旋电子器件等高技术领域具有巨大的应用前景。其中,磁电复合薄膜因其具有良好的微电子工艺兼容特性和良好的性能而被研究者广泛关注。本文主要就Pb (Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3(PMN–PT)和CoFe2O4(CFO)组成的磁电复合薄膜的制备、结构和性能展开研究。采用溶胶–凝胶法分别制备了PMN–PT和CoFe2O4薄膜,以及2-2型叠层结构CoFe2O4/PMN–PT和Co0.9Zn0.1Fe2O4(CZFO)/PMN–PT磁电复合薄膜。通过控制热分解温度、氧气氛退火和薄膜厚度实现了PMN–PT薄膜织构的调控。在Pt/Ti/SiO2/Si基片上生长了(100)和(111)两种织构PMN–PT薄膜,(100)织构薄膜形成了团簇且细小颗粒尺寸的岛状结构,(111)织构薄膜形成了致密且粗大颗粒尺寸的微观结构,(111)织构薄膜具有更好的铁电性和介电性。CFO薄膜表现出良好的铁磁性,薄膜的饱和磁化强度(Ms)和剩余磁化强度(Mr)随着膜厚的增加而增大,薄膜的铁磁性逐渐增强。当薄膜厚度增加到一定程度时,薄膜受刚性基片的应力的钳制作用得到松弛,具有了较小的矫顽力(Hc)。薄膜在平行于膜面方向具有更大的Ms和Mr以及较小的Hc,表明CFO薄膜具有典型的形状各向异性。采用压电力显微镜和磁力显微镜分别观察了PMN–PT、CFO薄膜的电畴结构和磁畴结构。PMN–PT薄膜的畴壁清晰可见,畴结构和晶粒尺寸相关,表现为单畴结构。外加直流偏压下,铁电畴发生了明显的极化反转,PMN–PT薄膜的铁电畴的单畴中心处首先极化反转,之后是畴壁的极化发转。CFO薄膜的磁畴为交互作用畴,磁畴的方向是随机分布的,拥有相反的磁化成分(面内磁化和面外磁化)垂直于样品表面。生长了不同织构的CFO/PMN–PT双层磁电复合薄膜。研究了织构特性对复合薄膜电性能、磁性能和磁电耦合性能的影响。CFO/PMN–PT复合薄膜内部生长致密,且膜厚均匀一致,无论是PMN–PT层和CFO层之间还是PMN–PT层和Pt层之间都紧密结合。复合薄膜具有良好的铁电性、铁磁性和磁电性能,当CFO层厚度为400nm时,CFO/PMN–PT复合薄膜的面内磁电耦合系数约为65.2mV/cm·Oe。在相同厚度和织构的PMN–PT铁电层上生长了不同厚度的CFO铁磁层,测试了不同厚度CFO层的应力状态,探讨了残余应力对CFO/PMN–PT复合薄膜磁电耦合效应的影响机制。基于改善复合薄膜磁电性能的考虑,在CFO层中掺杂Zn,生长了(100)和(111)两种织构CZFO/PMN–PT叠层复合薄膜。分析了Zn掺杂对复合薄膜电性能、磁性能和磁电性能的影响。当CZFO层厚度为300nm时,在6kOe直流磁场作用下,(111)和(100)织构CZFO/PMN–PT复合薄膜的诱导电压值分别约为27.42μV和43.91μV,Zn掺杂明显改善了复合薄膜的磁电性能,同时表明底层PMN–PT薄膜的织构性对复合薄膜的磁电性能有着重要的影响。
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