磁致伸缩诱发铁电层相变增强纳米多铁复合薄膜磁电耦合系数的方法与机理研究

多铁材料作为新型多功能材料，为发展新型磁电存储器和传感器提供了巨大的应用前景。本项目针对2-2 型铁磁/铁电纳米复合多铁薄膜磁电效应较弱的问题，提出了一种增强磁电耦合的新机制。其思路是通过对铁电层薄膜进行适当设计，使其处于相图中准同相界附近。此时外加磁场下磁性薄膜的磁致伸缩可以对铁电薄膜施加应力，该应力使铁电薄膜发生结构相变。由于铁电相自发极化方向与其结构密切相关，故可利用铁电体的结构相变前后极化方向不同引起极化强度的显著变化，从而增大磁电耦合系数。本项目在薄膜微观结构控制的基础上，系统研究Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-(Ba0.7Ca0.3)TiO3铁电薄膜在磁致伸缩诱发下的相变行为；阐明其中铁电薄膜层相变的物理规律；探索铁电薄膜发生结构相变时，2-2 型铁磁/铁电复合多铁薄膜的磁电响应特性；进而给出其磁电效应的机制和物理模型，具有重要的科学意义和应用价值。

多铁材料因其具有铁电性和铁磁性而被广泛关注，同时人们预期多铁材料在新型存储器和传感器等新型多功能器件中也会有着广大的应用前景。科研工作者对多铁材料进行研究发现，x(Ba0.7Ca0.3)TiO3-Ba(Zr0.2Ti0.8)O3（xBCT-BZT）铁电薄膜组分处在准同相区(MPB)附近，有优良的压电效应，期望与铁磁层薄膜复合后产生较大的磁电性能。本项目从xBCT-BZT陶瓷和薄膜体系设计制备入手，探索xBCT-BZT材料的成分比，制备出处在MPB区域的xBCT-BZT薄膜。进而制备得到了性能优异的2-2型xBCT-BZT/ LaNiO3-CoFe2O4多铁薄膜。. 通过溶胶凝胶法制备xBCT-BZT陶瓷，分析了PVA对陶瓷材料晶化程度和电性能的影响。在此基础上，采用固相法制备出多组xBCT-BZT陶瓷，研究不同组分的微结构和电性能；另外，通过元素掺杂对xBCT-BZT陶瓷压电性能的影响研究发现，在MPB区域附近用适量Nb元素掺杂，可获得较大压电系数的xBCT-BZT陶瓷。.在xBCT-BZT陶瓷的基础上，制得0.5BCT-BZT薄膜，分析薄膜制备及后续处理工艺对薄膜结晶行为影响。研究发现，0.5BCT-BZT需要在700°C下才能转化为完全钙钛矿结构，但存在织构差、漏电流大、电性能弱等缺陷。为解决上述问题，在薄膜界面处引入了LaNiO3(LNO)种子层，并发现在0.5BCT-BZT/LNO晶化过程中，LNO种子层可以为0.5BCT-BZT薄膜提供晶化模板，使0.5BCT-BZT薄膜晶化温度大幅降低（550°C），明显提升其压电性能。. 在0.5BCT-BZT/LNO薄膜具有优异压电性能，且表现出（100）择优取向和低温晶化的基础上，又制得了0.5BCT-BZT/LNO-CoFe2O4(CFO) 2-2型多铁复合薄膜。外加磁场时，0.5BCT-BZT/LNO-CFO多铁复合薄膜中铁电层发生相变行为，当外加磁场强度为4kOe时，其压电系数增大了3.14 Pm/V，远大于同等条件下0.5BCT-BZT-CFO多铁复合薄膜的变化量。对多铁复合薄膜磁场诱导电压测量，发现在磁场为6kOe时，0.5BCT-BZT/LNO-CFO薄膜的响应电压为2.5µV，说明0.5BCT-BZT/LNO-CFO复合薄膜可作为磁电随机存储器和磁电微传感器的理想候选材料。