Ba0.8Sr0.2TiO3%2fCoFe2O4多铁性层状磁电材料制备与性能研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Engineering The Preparation and Properties of the Ba Sr TiO 3 /CoFe 2O 4 Multiferroic Layered oelectric Materials : Rao Wei Major : Microelectronics and Solid State Electronics Supervisor : Prof. Yu Jun Huazhong University of Science and Technology Wuhan, Hubei 430074, P. R. China May, 201 4 万方数据 I 华中科技大学博士学位论文摘要多铁性磁电材料不仅具有铁电性和铁磁性,同时还具有磁电耦合效应。磁电耦合效应是指外加磁场所引起的电极化,或外加电场所引起的磁化。这种磁场与电场相互转换的特性使多铁性磁电材料在信息存储器、磁场传感器、滤波器和移相器等方面具有很大的应用潜力。由于单相多铁性磁电材料的磁电耦合效应较弱,目前多铁性磁电复合材料已经成为研究的热点。本文采用溶胶—凝胶法制备 Ba Sr TiO 3/ CoFe 2O 4 层状磁电复合薄膜,用溶胶—凝胶+ 分步烧结法制备 Ba Sr TiO 3/ CoFe 2O 4层状磁电复合陶瓷,其主要研究内容和结论如下所示: (1) 采用弹性理论结合热力学方法,研究了层状多铁性磁电复合结构的介电可调性。建立了 CoFe 2O 4 /Ba Sr TiO 3 /CoFe 2O 4三层结构模型, 通过改变薄膜厚度比和外磁场,研究对材料的相关性能进行调控的可行性。磁致伸缩应力通过界面调控 Ba Sr TiO 3层的应力, 从而实现通过调节磁场来调节铁电层的介电性能,结合铁木辛柯的弹性理论,引入 CoFe 2O 4 的磁致伸缩效应,并利用金兹堡朗道理论来计算了 Ba Sr TiO 3的介电性能随各层厚度及外加电场和温度场的关系。(2) 研究了溶胶—凝胶旋涂工艺制备 Ba Sr TiO 3 铁电薄膜和 CoFe 2O 4铁磁薄膜的相关方法,对 Ba Sr TiO 3 研究了前驱体溶液的配置、薄膜的匀胶、湿膜的热处理等制备环节的工艺,重点研究了制备 Ba Sr TiO 3 薄膜时溶剂的选择, 研究了柠檬酸和乙二醇添加量对 CoFe 2O 4晶体结构及晶粒尺寸的影响。(3)研究了 Ba Sr TiO 3 /CoFe 2O 4层状复合薄膜的电学特性和磁学特性。随着 CoFe 2O 4 旋涂层数的增加, 复合薄膜的铁电性有所增大, 漏电流略有降低,不同 CoFe 2O 4厚度的层状复合薄膜的介电常数都随着频率的增加而减小,介电损耗先随测试频率增加出现峰值现象,随着 CoFe 2O 4厚度的增大, 介电损耗增大,并且介电损耗峰值向高频方向移动。饱和磁化强度和剩余磁化强度随 CoFe 2O 4 旋涂层数的变化是近似线性的,但随着 CoFe 2O 4 厚度的变化表现出一定的非线性, 矫顽场 H c复合薄膜的矫顽场随着 CoFe 2O 4 旋涂层数的增大先增大后减小, 说明复合材料存在磁各向万方数据 II 华中科技大学博士学位论文异性。( 4) 研究了 Ba Sr TiO 3 /CoFe 2O 4 层状复合薄膜的正磁电耦合效应。被恒定磁场磁化后的 Ba Sr TiO 3 /CoFe 2O 4层状复合薄膜极化强度和矫顽场都比磁化前减小, 不同 CoFe 2O 4 厚度的层状复合薄膜在测试磁场区间内分别出现一个正磁电效应耦合系数峰值。研究了不同电极对 Ba Sr TiO 3 /CoFe 2O 4层状复合薄膜结构和电学性质的影响, 生长在 BaPbO 3 底电极上的 Ba Sr TiO 3 薄膜更容易择优取向, Ba Sr TiO 3 /CoFe 2O 4 层状复合薄膜具有电极更大饱和极化强度,更小的剩余极化强度和矫顽场,使用 BaPbO 3 /Pt 双电极结构, Ba Sr TiO 3 /CoFe 2O 4 层状复合薄膜显示出更好的铁电性能, 氧化物电极 BaPbO 3 能够在很大程度上改善 Ba Sr 0.