铁电铁磁复合薄膜的生长机理、微结构调控及物理性能

0-3 and 1-3 types of ferroelectric and ferromagnetic nano-composite films will be prepared by magnetron and pulsed laser co-deposition method in order to realize the controlliability of fabrication of ferroelectric and ferromagnetic nano-composite films.Impacts of deposition parameters on the microstructure of nano-composite films will be investigated including shape of nano - rod (for example, bead-like or cone-like), nano size, density, granularity, crystallinity. During co-deposition with interplay from magnetron sputtering plasma and pulsed laser plasma, plasma evolvement and simulation of film growth will be studied in order to reveal the mechanism of ferroelectric and ferromagnetic composite films, and clarify the effects of microstructure of ferroelectric and ferromagnetic nano-composite films on the ferroelectric，ferromagnetic properties, and magnetoelectric effect. Moreover, impacts of substrate orientation, ferroelectrc and ferromagnetic materials ratio on the microstructure, interface, and grain size of the nano-composite films will be fully investigated so that correlation of deposition parameter - microstructure - physical property will be established. This will pave a way for tailoring the physical properties, such as magnetoelectric effect, of the nano-composite films through the selection of materials, ferroelectric and ferromagnetic ratio, microstructure, substrates. The achievement of the project will provide the foundation for exploring novel nano-composite films, designing new structure, and understanding the growth mechanism of nano-composite films, which is crucial to the development of both ferroelectric and ferromagnetic nano-composite film materials and devices.

本项目以纳米铁电铁磁复合薄膜的可控制备为目的，采用磁控和脉冲激光共溅射法制备0-3型、1-3型纳米结构铁电铁磁复合薄膜，研究沉积工艺对铁电铁磁复合薄膜的控制作用，包括：纳米棒形状(如：串珠形、圆锥形)、纳米尺寸、密度、颗粒度，结晶状态、成分等。在存在磁控溅射等离子体和脉冲激光等离子体相互作用的共溅射过程中，开展等离子体的演化和薄膜生长模拟的研究，揭示铁电铁磁复合薄膜的生长机理，弄清纳米铁电铁磁复合薄膜微观结构对铁电、铁磁以及磁电耦合效应影响的规律。研究基片的取向、两相比例对纳米铁电铁磁复合薄膜的结构、界面、颗粒尺寸、磁电性能等影响的规律，全面建立铁电铁磁复合薄膜生长工艺-微结构-物理性能的关系，为磁电性能的剪裁（通过对组分的选取、比例、微观结构的调整来实现）开辟新的途径。本项目的完成将为纳米铁电铁磁复合薄膜新结构的设计和生长机理研究提供基础，促进纳米铁电铁磁复合薄膜材料与器件的发展。

铁电材料和铁磁材料是两类非常重要的功能材料，由于材料自身的特点（自发极化或自发磁化），在存储器等方面具有广泛应用。人工将铁电材料和铁磁材料按照某种空间构型生长在一起，形成铁电-铁磁复合材料，该复合体系不仅具有铁电和铁磁性能，而且，铁电材料和铁磁材料之间还存在磁电耦合效应。本项目以纳米铁电铁磁复合薄膜的可控制备为目的，采用磁控和脉冲激光共溅射法制备0-3型、1-3型纳米结构铁电铁磁复合薄膜，研究沉积工艺对铁电铁磁复合薄膜的控制作用，包括：纳米棒形状、纳米尺寸、密度、颗粒度，结晶状态、成分等，弄清了相关纳米铁电铁磁复合薄膜微观结构对铁电、铁磁以及磁电耦合效应影响的规律。研究了两相比例对纳米铁电铁磁复合薄膜的结构、界面、颗粒尺寸、磁电性能等影响的规律，建立了铁电铁磁复合薄膜生长工艺-微结构-物理性能的关系，为磁电性能的剪裁（通过对组分的选取、比例、微观结构的调整来实现）开辟新的途径。主要研究结果：采用磁控溅射和脉冲激光共沉积方法，成功制备了0-3、1-3型的BiFeO3：Pb(Zr,Ti)O3、(Ba,Sr)TiO3:CoFe2O4 复合薄膜；采用磁控溅射和脉冲激光共沉积方法，成功制备了1-3型的BST：MgO、BST：LaAlO3等复合薄膜；利用脉冲激光沉积溅射技术在高温真空的条件下分解La0.5Sr0.5FeO3陶瓷靶材料，基于自组装原理在SrTiO3（001）基片上制备1-3型Fe:LaSrFeO4铁磁外延纳米复合薄膜。制备了同时具有磁性和光学性能的Fe:LaSrFeO4、FePt:LaSrFeO4铁磁电介质复合薄膜，为多功能复合薄膜的研究提供重要数据。Fe:LaSrFeO4复合薄膜位于270 nm处的吸收峰是LaSrFeO4内O2p→Fe3d电荷转移激发以及Fe颗粒共同贡献的结果。针对异相非超导材料较大掺杂量时YBCO复合薄膜Tc降低的特点，采用磁控与脉冲激光共溅射法在氩氧比3:1混合气氛中，（001）STO基片上成功构架了（BFO:YBCO/YBCO）N叠层结构的复合薄膜，为改善高掺杂复合薄膜Tc和Jc提供了新方法。本项目的完成将为纳米铁电铁磁复合薄膜新结构的设计和生长机理研究提供基础，促进纳米铁电铁磁复合薄膜材料与器件的发展。