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1、2008年第53卷第10期:1136~1148《中国科学》杂志社专题SCIENCEINCHINAPRESS多铁性磁电复合薄膜*何泓材,林元华,南策文清华大学材料科学与工程系,新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室,北京100084*联系人,E-mail:cwnan@tsinghua.edu.cn2007-12-05收稿,2008-02-20接受国家自然科学基金(批准号:50621201,10574078)和国家重点基础研究发展计划(编号:2002CB613303)资助项目摘要多铁性材料由于其不但具有单一的铁性(如铁电性、铁磁性和铁弹性),而且由于不关键词同铁性之间的耦合协同作用会产生新的磁电效应,
2、在换能器、传感器、存储器等高技术多铁性磁电效应领域具有巨大应用潜力.其中,磁电复合薄膜由于具有良好的微电子工艺兼容特性和良薄膜好的性能,并存在许多尚未解决的物理问题,使得磁电复合薄膜的研究成为众多研究者复合材料关注的热点.从实验和理论两个方面介绍了目前多铁性磁电复合薄膜的研究现状.综述了1-3柱状结构、0-3颗粒复合结构和2-2叠层结构等几种典型结构的磁电复合薄膜的实验制备和性能,同时介绍了用格林函数方法、相场模型和从头算方法等几种理论工具对磁电复合薄膜模拟计算的结果.最后,指出了目前存在的问题和发展趋势.铁性(ferroic)材料(如铁电、铁磁材料)是一大类非从组成上来看,磁电材料可分为单
3、相磁电材料[2,3]常重要的先进功能材料,广泛应用于换能器、传感和复合磁电材料.单相磁电材料是指本身具有磁器、敏感器等电子器件,在传感、驱动、存储及智能电效应的多铁性材料,而复合磁电材料是指单相本系统等高技术领域占主导地位.在器件微型化、需求身并不具有磁电效应,通过不同组成相之间的某种多样化的现代生产生活中,越来越迫切地需要同时耦合作用产生磁电效应的一类多相多铁性材料.[4]具备多种功能的材料,多铁性(multiferroic)材料就是早在1894年居里预言了磁电效应的存在,从其中的一类典型代表.多铁性材料同时具备铁电、铁此掀开了研究磁电材料的序幕.但直到1961年,线磁等多种铁性,而且由于
4、不同铁性之间的耦合作用性磁电效应才首次在低温下的Cr2O3晶体被观测[5,6]而具有磁电效应(magnetoelectriceffect)等新的性能,到.但是,其磁电效应很弱.随后,在十多种不同大大开拓了铁性材料的应用范围.这类材料的发现,系列(如钇铁石榴石、硼酸物、稀土铁酸盐和磷酸盐)[7~9]为发展基于铁电-磁性集成效应的新型信息存储处理的单相材料中,也发现了弱的磁电效应,但单相以及磁电器件等技术提供了巨大的潜在应用潜力,多铁性磁电材料的研究一直处在缓慢的发展时期.[1]多铁性材料已成为当前国际上一个新的研究热点.直到近四年来,对单相多铁性磁电化合物的研究又磁电效应是在材料外磁场作用下能
5、够产生介电重新掀起了热潮.首先是在ReMnO3这类稀土锰氧化极化(即正磁电效应:P=αH)或者在外电场作用下产物中,观察到其介电温谱在不同的外加磁场下表现[10]生磁极化的特性(即逆磁电效应:M=αE),既具有磁有出了不同的行为,表明磁场对介电性有调控作用.[11,12]序和铁电有序两种有序结构共存,同时两种有序结最近,关于BiFeO3的薄膜材料的研究,报道了室构之间又存在一定形式耦合.这里α是表征磁电材温下具有良好的铁电性和铁磁性,同时居里温度在料性能的磁电系数(也可表示为E=αEH).磁电系数越室温以上,引起了研究者的广泛关注.随后,许多工大,表明磁电转换效率越高,即磁有序与铁电有序之作
6、致力于用掺杂等手段来提高这些单相多铁性化合间的耦合越强.物的性能,希望能够在室温下实现优异的铁电性和1136www.scichina.comcsb.scichina.com评述[13]铁磁性共存,以及磁电耦合效应.目前,以BiFeO31磁电复合薄膜的实验研究为代表的多铁性化合物体系,已形成一个世界范围实验上,由于磁电复合薄膜涉及多种成分的复的单相多铁性磁电材料的研究热潮.但目前,单相多合,比较常见的是用激光脉冲沉积法(PLD)和溶胶-铁性磁电化合物要么居里温度很低,要么磁电效应凝胶旋涂法来制备,这两种方法都可以方便地控制很微弱,因而限制了它的实际应用.寻找室温以上具复合薄膜的成分.通过调节制
7、备过程中的工艺参数,有强磁电耦合效应的单相多铁性化合物,已成为多可以得到不同结构的薄膜,按照复合结构来分类,我铁性研究领域一个重要的方向.们可以把磁电复合薄膜分为1-3,0-3,2-2等结构类型,在另一方面,通过复合铁电/压电材料和磁致伸本节将按照不同结构类型评述磁电复合薄膜的实验缩材料,以两相之间的应力/应变耦合传递可实现铁研究进展.电-铁磁之间的耦合,这种由铁电/压电材料和磁性材料复合在一起的磁电材料就是
