多鐵性磁電復(fù)合薄膜

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1、2008年第53卷第10期:1136~1148《中國科學(xué)》雜志社專題SCIENCEINCHINAPRESS多鐵性磁電復(fù)合薄膜*何泓材,林元華,南策文清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系,新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084*聯(lián)系人,E-mail:cwnan@tsinghua.edu.cn2007-12-05收稿,2008-02-20接受國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):50621201,10574078)和國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(編號(hào):2002CB613303)資助項(xiàng)目摘要多鐵性材料由于其不但具有單一的鐵性(如鐵電性、鐵磁性和鐵彈性),而且由于不關(guān)鍵詞同鐵性之間的耦合協(xié)同作用會(huì)產(chǎn)生新的磁電效應(yīng),

2、在換能器、傳感器、存儲(chǔ)器等高技術(shù)多鐵性磁電效應(yīng)領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力.其中,磁電復(fù)合薄膜由于具有良好的微電子工藝兼容特性和良薄膜好的性能,并存在許多尚未解決的物理問題,使得磁電復(fù)合薄膜的研究成為眾多研究者復(fù)合材料關(guān)注的熱點(diǎn).從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面介紹了目前多鐵性磁電復(fù)合薄膜的研究現(xiàn)狀.綜述了1-3柱狀結(jié)構(gòu)、0-3顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)和2-2疊層結(jié)構(gòu)等幾種典型結(jié)構(gòu)的磁電復(fù)合薄膜的實(shí)驗(yàn)制備和性能,同時(shí)介紹了用格林函數(shù)方法、相場(chǎng)模型和從頭算方法等幾種理論工具對(duì)磁電復(fù)合薄膜模擬計(jì)算的結(jié)果.最后,指出了目前存在的問題和發(fā)展趨勢(shì).鐵性(ferroic)材料(如鐵電、鐵磁材料)是一大類非從組成上來看,磁電材料可分為單

3、相磁電材料[2,3]常重要的先進(jìn)功能材料,廣泛應(yīng)用于換能器、傳感和復(fù)合磁電材料.單相磁電材料是指本身具有磁器、敏感器等電子器件,在傳感、驅(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)及智能電效應(yīng)的多鐵性材料,而復(fù)合磁電材料是指單相本系統(tǒng)等高技術(shù)領(lǐng)域占主導(dǎo)地位.在器件微型化、需求身并不具有磁電效應(yīng),通過不同組成相之間的某種多樣化的現(xiàn)代生產(chǎn)生活中,越來越迫切地需要同時(shí)耦合作用產(chǎn)生磁電效應(yīng)的一類多相多鐵性材料.[4]具備多種功能的材料,多鐵性(multiferroic)材料就是早在1894年居里預(yù)言了磁電效應(yīng)的存在,從其中的一類典型代表.多鐵性材料同時(shí)具備鐵電、鐵此掀開了研究磁電材料的序幕.但直到1961年,線磁等多種鐵性,而且由于

4、不同鐵性之間的耦合作用性磁電效應(yīng)才首次在低溫下的Cr2O3晶體被觀測(cè)[5,6]而具有磁電效應(yīng)(magnetoelectriceffect)等新的性能,到.但是,其磁電效應(yīng)很弱.隨后,在十多種不同大大開拓了鐵性材料的應(yīng)用范圍.這類材料的發(fā)現(xiàn),系列(如釔鐵石榴石、硼酸物、稀土鐵酸鹽和磷酸鹽)[7~9]為發(fā)展基于鐵電-磁性集成效應(yīng)的新型信息存儲(chǔ)處理的單相材料中,也發(fā)現(xiàn)了弱的磁電效應(yīng),但單相以及磁電器件等技術(shù)提供了巨大的潛在應(yīng)用潛力,多鐵性磁電材料的研究一直處在緩慢的發(fā)展時(shí)期.[1]多鐵性材料已成為當(dāng)前國際上一個(gè)新的研究熱點(diǎn).直到近四年來,對(duì)單相多鐵性磁電化合物的研究又磁電效應(yīng)是在材料外磁場(chǎng)作用下能

5、夠產(chǎn)生介電重新掀起了熱潮.首先是在ReMnO3這類稀土錳氧化極化(即正磁電效應(yīng):P=αH)或者在外電場(chǎng)作用下產(chǎn)物中,觀察到其介電溫譜在不同的外加磁場(chǎng)下表現(xiàn)[10]生磁極化的特性(即逆磁電效應(yīng):M=αE),既具有磁有出了不同的行為,表明磁場(chǎng)對(duì)介電性有調(diào)控作用.[11,12]序和鐵電有序兩種有序結(jié)構(gòu)共存,同時(shí)兩種有序結(jié)最近,關(guān)于BiFeO3的薄膜材料的研究,報(bào)道了室構(gòu)之間又存在一定形式耦合.這里α是表征磁電材溫下具有良好的鐵電性和鐵磁性,同時(shí)居里溫度在料性能的磁電系數(shù)(也可表示為E=αEH).磁電系數(shù)越室溫以上,引起了研究者的廣泛關(guān)注.隨后,許多工大,表明磁電轉(zhuǎn)換效率越高,即磁有序與鐵電有序之作

6、致力于用摻雜等手段來提高這些單相多鐵性化合間的耦合越強(qiáng).物的性能,希望能夠在室溫下實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的鐵電性和1136www.scichina.comcsb.scichina.com評(píng)述[13]鐵磁性共存,以及磁電耦合效應(yīng).目前,以BiFeO31磁電復(fù)合薄膜的實(shí)驗(yàn)研究為代表的多鐵性化合物體系,已形成一個(gè)世界范圍實(shí)驗(yàn)上,由于磁電復(fù)合薄膜涉及多種成分的復(fù)的單相多鐵性磁電材料的研究熱潮.但目前,單相多合,比較常見的是用激光脈沖沉積法(PLD)和溶膠-鐵性磁電化合物要么居里溫度很低,要么磁電效應(yīng)凝膠旋涂法來制備,這兩種方法都可以方便地控制很微弱,因而限制了它的實(shí)際應(yīng)用.尋找室溫以上具復(fù)合薄膜的成分.通過調(diào)節(jié)制

7、備過程中的工藝參數(shù),有強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)的單相多鐵性化合物,已成為多可以得到不同結(jié)構(gòu)的薄膜,按照復(fù)合結(jié)構(gòu)來分類,我鐵性研究領(lǐng)域一個(gè)重要的方向.們可以把磁電復(fù)合薄膜分為1-3,0-3,2-2等結(jié)構(gòu)類型,在另一方面,通過復(fù)合鐵電/壓電材料和磁致伸本節(jié)將按照不同結(jié)構(gòu)類型評(píng)述磁電復(fù)合薄膜的實(shí)驗(yàn)縮材料,以兩相之間的應(yīng)力/應(yīng)變耦合傳遞可實(shí)現(xiàn)鐵研究進(jìn)展.電-鐵磁之間的耦合,這種由鐵電/壓電材料和磁性材料復(fù)合在一起的磁電材料就是