铁电2f铁磁异质复合薄膜中界面应力效应.研究

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1、摘要摘要铁电/铁磁异质复合材料因其巨大的应用潜力而受到研究者的广泛关注。此类材料不仅同时具有铁电性和铁磁性，而且还具有磁电耦合效应，利用这一效应，可以设计磁探测器、新功能存储器、磁电马达等多种新型器件。一般认为磁电耦合效应的产生是由于复合体系中铁电相与铁磁相之间的应力作用，但由于普通的复合体系（如固熔块材复合体系、叠层复合体系等）中应力情况复杂，因此目前的研究对复合磁电材料中应力耦合的机理缺乏规律性的认识。然而在异质外延复合磁电薄膜中，薄膜的取向、厚度、界面粗糙度等都可以得到精确的控制，进而可以控制铁电相与铁磁相之间的应力作用情况，这为研究复合磁电材料的应力耦合机制奠定了基础。本文从研究BaT

2、iO3/CoFe2O4双层复合磁电薄膜的外延生长过程出发，采用原位反射式高能电子衍射（RHEED）与后位高分辨X射线衍射（XRD）结合的方法，对异质外延复合磁电薄膜的界面应力情况进行充分表征。在获得复合薄膜中基本的应力作用情况后，进一步对应力引起的磁电性能变化进行研究。通过设计厚度系列、层数系列的实验，实现了利用结构变化调制应力变化，进而获得较优的铁电、铁磁性能。这一研究为进一步探索复合磁电材料的应力耦合机制奠定了基础。在对BaTiO3/CoFe2O4双层复合薄膜的生长过程、界面应力情况和界面应力效应的研究中发现，第一层BaTiO3以层状模式生长，在其上生长的CoFe2O4受到压应力作用，在4

3、0nm以内主要以层状-岛状模式生长，厚度进一步增加时，生长模式转换为岛状生长模式。应力释放主要发生在生长模式转变阶段。CoFe2O4对BaTiO3的张应力随着CoFe2O4厚度的增加而增大，增大的张应力使BaTiO3的四方铁电性下降，导致BaTiO3的Pr值下降，当CoFe2O4的厚度为120nm时，复合薄2膜的2Pr值仅为3μC/cm。磁电效应研究表明，在静态磁场作用下，BaTiO3/CoFe2O4复合薄膜的剩余极化值Pr值增大，增大的幅度随磁场强度的增强而增大，并且当极化电压达到5V时出现极大值。在对多层系列Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/NiFe2O4复合薄膜的研究中发现，在一定范

4、围内复合层数的增加可以加强Pb(Zr0.52Ti0.48)O3与NiFe2O4之间的应力耦合作用，复2合薄膜的Pr值也随之提高，当复合层数达到7层时，2Pr值达到最大值65μC/cm；但当复合层数进一步增加时，耦合应力通过界面缺陷等方式释放，造成Pr值的回I摘要落；应力变化对复合薄膜的铁磁性能影响较弱。关键词：铁电/铁磁异质复合薄膜，界面应力，反射式高能电子衍射、高分辨X射线衍射，磁电性能IIABSTRACTABSTRACTMagnetoeletirccompositematerialhasdrawnwideinterestofresearchersforitspotentialuses.In

5、magnetoeletircmaterial,ferroelectricsandferromagneticscoexist,andadielectricpolarizationcanbeinducedbyanexternalmagneticfieldorconversely,aphenomenonknownasthemagnetoeletric(ME)effect.MaterialssystemswithstrongMEeffecthavepotentialapplicationsasmagneticfieldandstresssensors,datastorageandswitchingde

6、vices,actuatorsandetc.TheMEeffectinmultiferroiccompositescomesfromthedirectstrain-couplingbetweenferroelectricphaseandferromagneticphase.Unfortunately,thephysicsmechanismsbywhichthedifferentorderparameterscanbecoupledaregenerallypoorlyunderstood,andinmostofthecompositesystems,includingceramiccomposi

7、tes,laminatedcompositesandetc,thesituationofresidualstrainisverycomplex.Inepitaxialthin-filmheterostructure,however,thestudiesofmagnetoelectriccompositecouldbepermitedpreciselyascrystallographicorient