石墨烯掺杂全柔性多铁异质结的磁电耦合效应研究

Magnetoelectric materials have electro-magnetic conversion functions and have great application potential in sensors, storage, antennas and other fields. However, most magnetoelectric composites have problems such as large regulation voltage, substrate clamping, and difficulty in integration. Recently, the ionic liquid-based magnetoelectric composites can realize low electric field regulation, and the magnetoelectric effect is not affected by the substrate clamping. However, its testing process is complicated and it difficult to integrate. Therefore, this project proposes the use of laser-induced graphene-doped magnetoelectric composite structure, and prepares a fully flexible, low-voltage, fast-responding, easy-to-integrate magnetoelectric device to solve the above problems in the field of magnetoelectricity. 1) Theoretical study on the magnetoelectric coupling effect of graphene doping based on the first principle of density functional theory; 2) Exploring the preparation technology of fully flexible magnetoelectric heterojunction, and studying its intrinsic relationship with microstructure and magnetoelectric properties, and finally realizing the preparation of the heterojunction; 3) testing the electronically controlled magnetic properties of the fully flexible magnetoelectric heterojunction (regulated voltage value, magnetoelectric coupling coefficient) and its correlation with environmental parameters (humidity, temperature, curvature, etc.). The research results of this project will provide research basis and technical approach for the preparation and development of fully flexible, low power and easy-to-integrate magnetoelectric devices.

磁电材料具有电-磁转换功能，在当今传感器、存储、天线等领域具有巨大的应用潜力。然而大多数磁电复合结构存在调控电压大、衬底夹持和不易集成等问题。目前基于离子液体的磁电复合结构虽可以实现低电场调控，磁电效应亦不受衬底夹持作用。但是基于离子液体的磁电复合结构测试工艺复杂且不易集成。为此，本项目提出利用激光诱导的石墨烯掺杂磁电复合结构，拟制备一种全柔性、低电压、快响应、易集成的磁电器件解决目前磁电领域存在的上述问题。1）采用基于密度泛函理论的第一性原理对石墨烯掺杂的磁电耦合效应进行理论研究；2）探索全柔性磁电异质结的制备技术,研究其与微观结构、磁电性能之间的内在关系，并实现全柔性异质结的制备；3）测试全柔性磁电异质结的电控磁性(调控电压值、磁电耦合系数)及其与环境参数(湿度、温度、曲率等)的关联性。本项目的研究成果将为全柔性、低功耗、易集成磁电器件的制备与研发提供研究基础和技术途径。

柔性电子技术在存储、计算、可穿戴设备领域带来的技术革命，使得其成为电子领域的研究热点。其中，柔性化的磁电耦合异质结作为器件重要的组成部分，也在学界和工业界得以迅速发展。传统磁电异质结存在调控电压大，衬底夹持等问题，本项目采用全柔性的磁电异质结构，利用在有机聚合物PVDF-TrFE上沉积磁致伸缩薄膜（FeCoSiB）的方式实现了全柔性的磁电异质结。但是相比于刚性结构的磁电异质结，本项目制备的磁电异质结其磁电效应相对较差。为了提高柔性磁电异质结的磁电效应，同时降低磁电调控电压为后续磁电器件的低功耗打下基础。本项目在磁电异质结的界面处添加了一层石墨烯，利用石墨烯优良的导电性，拟在磁电异质结的界面处实现双电子层，以提高磁电效应。基于此本项目利用第一性原理对石墨烯掺杂的磁电耦合效应进行了理论建模及仿真，结果表明电场引起了异质结界面处多余电荷的自旋不平衡，从而导致界面磁性能和磁晶各向异性的改变，同时由于石墨烯的良好导电性，使得界面处存在双电子层结构，电荷的聚集使得Fe原子之间的交换作用发生变化，其磁化状态也相应发生了改变。因此证明了磁电异质结界面处的石墨烯有利于磁电效应的调控。最后通过实验成功制备了全柔性PVDF-TrFE/FeCoSiB磁电异质结，其磁电系数可达111 V / cm·Oe。此外本项目制备的PVDF-TrFE压电薄膜，其压电系数可达35pC/N，且其制备方法可以大规模生产，为全柔性磁电器件的实际应用打下了基础。本项目研制的全柔性异质结若在磁电效应进一步提高的前提下，可以在健康监测、弱磁场探测等领域实现应用前景。