多铁性复合薄膜的研究

多铁性FeBSi/BaTiO3复合薄膜的研究

摘要

本文介绍了多铁性复合薄膜的制作所需要选择的溶剂，多铁性复合薄膜的性质，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)，而且由于不同铁性之间的耦合协同作用会产生新的磁电效应，在换能器、传感器、存储器等高技术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好的性能，并存在许多尚未的物理问题，使得磁电复合薄膜的研究成为众多研究者关注的热点。

本文还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，指出了多铁性符合薄膜目前存在的问题和未来的发展趋势。

关键词：多铁性，磁电效应，薄膜，复合材料

Abstract

This article describes the multiferroic composite thin films produced by the need to select the solvent and multiferroic properties of composite films. Multiferroic material because of its nature not only has a single iron(Such as ferroelectricity, ferromagnetism and iron flexibility). And because the coupling between different iron synergy will create new magnetic effect, In the transducer., sensor, memory and other high-tech areas have great potential applications. Among them, magnetic composite films in microelectronics technology as compatible with good features and good performance. And there are many unsolved physical problems. Makes the magnetic composite thin films as the focus of attention of many researchers.

In addition, from both experimental and theoretical description of the current multiferroic composite thin film magnetic Research. Review the structure of several typical experimental magnetic composite films preparation and performance. Also introduced by Green function method, phase field model and ab initio methods, such as several theoretical tool for magnetic composite films simulated results. Finally, iron deficiency found that a number of films present problems and future trends.

Keywords: Multiferroic, Magnetoelectric effect, Film, Composite materials

目录

摘要 (Ⅰ)

Abstract (Ⅱ)

第1章绪论 (1)

1.1 引言 (1)

1.2 多铁性复合薄膜国内外研究现状 (3)

1.2.1 国外研究现状 (3)

1.2.2 国内研究现状 (3)

1.3 前景展望 (3)

第2章磁电复合薄膜的实验研究 (5)

2.1 1-3 型柱状复合磁电薄膜 (5)

2.2 0-3 型颗粒复合磁电薄膜 (7)

2.3 2-2 型叠层复合磁电薄膜 (11)

2.4 准2-2 型磁电薄膜 (14)

第3章磁电复合薄膜的理论研究 (17)

第4章结论 (20)

参考文献 (21)

致谢 (22)

第1章绪论

1.1 引言

多铁性材料是指材料的同一个相中包含两种及两种以上铁的基本性能，是一种集电与磁性于一身的多功能材料。多铁性材料（如既有铁电性又有铁磁性的磁电复合材料等）不但具备各种单一的铁性（如铁电性、铁磁性），而且通过铁性的耦合复合协同作用，可以通过磁场控制电极化或者通过电场控制磁极化。它同时还具有一些新的效应，大大拓宽了铁性材料的应用范围。

多铁性材料具有重要的科学内涵和重大的应用前景，它包含铁磁学、铁电学、铁弹学等诸多科学问题，涉及过渡族金属氧化物，ABO3钙钛矿结构的强关联体系等，以及自旋序、电荷序、轨道序、量子调控和畴工程学等多尺度问题，是一个跨学科、非常热门的前沿研究领域。他从介电体超晶格的构造、制备与表征出发，详细介绍了介电体超晶格光学效应、介电体超晶格声学效应，以及微波与超晶格振动的耦合与极化激元几个热点问题；介绍了介电体超晶格中弹性散射与非弹性散射的准位相匹配理论和一些应用实例。他结合自己课题组二十几年的研究历程，从铁电超晶格基本概念的提出，到基本规律的建立，基本效应的实现和全新器件的研制开发全过程的介绍，展示了他们开展科学研究的方法和理念，使与会专家受到很大的启发与教育[4]。

铁性(ferroic)材料(如铁电、铁磁材料)是一大类非常重要的先进功能材料，广泛应用于换能器、传感器、敏感器等电子器件，在传感、驱动、存储及智能系统等高技术领域占主导地位。在器件微型化、需求多样化的现代生产生活中，越来越迫切地需要同时具备多种功能的材料，多铁性(multiferroic)材料就是其中的一类典型代表。多铁性材料同时具备铁电、铁磁等多种铁性，而且由于不同铁性之间的耦合作用而具有磁电效应(magnetoelectric effect)等新的性能，大大开拓了铁性材料的应用范围。这类材料的发现，为发展基于铁电-磁性集成效应的新型信息存储处理以及磁电器件等技术提供了巨大的潜在应用潜力，多铁性材料已成为当前国际上一个新的研究热点

磁电效应是在材料外磁场作用下能够产生介电极化(即正磁电效应: P=αH)或者在外电

场作用下产生磁极化的特性(即逆磁电效应: M=αE)，既具有磁有序和铁电有序两种有序结构共存，同时两种有序结构之间又存在一定形式耦合。这里α是表征磁电材料性能的磁电系数(也可表示为E=αEH)。磁电系数越大，表明磁电转换效率越高，即磁有序与铁电有序之间的耦合越强。从组成上来看，磁电材料可分为单相磁电材料和复合磁电材料单相磁电材料是指本身具有磁电效应的多铁性材料，而复合磁电材料是指单相本身并不具有磁电效应，通过不同组成相之间的某种耦合作用产生磁电效应的一类多相多铁性材料。

早在1894年居里预言了磁电效应的存在从此掀开了研究磁电材料的序幕。但直到1961年，线性磁电效应才首次在低温下的Cr2O3晶体被观测到。但是，其磁电效应很弱。