NiMnGa铁磁形状记忆合金/压电材料复合薄膜的磁电耦合效应研究

铁电/铁磁复合薄膜的研究是磁电效应实现器件微型化、集成化应用的重要课题。本项目以Ni-Mn-Ga铁磁形状记忆合金/压电材料复合薄膜为研究对象，利用Ni-Mn-Ga材料巨大的磁驱动性能、强的磁弹耦合以及马氏体相变性能，实现大的复合薄膜磁电耦合性能的实验和理论研究。采用脉冲激光沉积、磁控溅射等方法制备各种铁电/铁磁复合薄膜，探索制备性能优异复合磁电薄膜的物理方法。配合微观结构、电学、磁学等表征方法揭示铁电/铁磁复合薄膜的微观结构跟磁电耦合性能的物理关系，尤其注重Ni-Mn-Ga相变性能对磁电效应的影响；结合理论模型，深刻理解铁电/铁磁薄膜耦合的物理本质。项目将以实验研究为主，合成性能优异的磁电复合薄膜；以理论研究为次，为复合薄膜磁电效应提供物理依据，最终为复合薄膜磁电材料的设计及器件的开发打下坚实的学科基础。

深入细致地探索铁电/铁磁复合薄膜及多铁性功能材料，研究其各种序参量之间的耦合及竞争机制，从中发现新的调控方法和规律，并由此发展新的多铁性体系，有重要的科学意义和应用前景。为此，我们开展了如下研究工作：.1）新型铁磁形状记忆合金Ni-Mn-Ga薄膜与铁电材料PMN-PT、BaTiO3等衬底材料复合材料的探索及性能表征：利用脉冲激光沉积方法并结合理论探索复合多铁性新材料。实验上表明：在铁电单晶衬底上，Ni-Mn-Ga薄膜具有较好的外延性。磁畴结构为明暗相间的孪晶结构，为180度畴。在外加电场的条件下，衬底应变导致的磁畴结构的变化。理论上也证实了，Ni-Mn-Ga/BaTiO3/Ni-Mn-Gay异质结中，自发极化出现在铁电BaTiO3层为5层以上，其极化强度跟块体的BaTiO3接近，为0.3 C/m2。在Ni和MnGa终端超结构中发现：Ni终端结构式最稳定的，而且Ti/O位移都为同一个方向，即达到最大的自化极化强度。在电场的作用下（极化反转），我们发现界处Ni-Mn-Ga中的磁矩有0.08 emu的变化。即Ni-Mn-Ga/BaTiO3的界面磁电耦合效应。.2）多铁性LuFe2O4 和YMnO3外延薄膜制备和表征： 使用脉冲激光沉积(PLD)方法，在（001）蓝宝石衬底上成功制备了c轴取向LuFe2O4薄膜，温度-电阻特性表征揭示，在237K出现了亚铁磁性转变和在340K呈现电荷有序转变。重要的是薄膜的介电常数在电场和磁场条件下能发生了显著的变化，当施加5 V电场时，介电可调性高达35%。该介电可调性在0.83 T的磁场下，如在垂直和平行于薄膜的法线方向，其值分别降低到20%和15%。同时，Al2O3(0001)衬底上制备的外延的YMnO3薄膜，原子力显微镜观察到类似vortex电畴的形貌图，高低起伏异常明显(~10nm)，且高低区域非常平整。铁电测量表明，低的区域方具有很好的铁电特性。