Fe-Ga薄膜及磁电耦合器件的研究

发布时间：2020-03-26 10:32

【摘要】：用磁致伸缩材料与压电材料制备的复合磁电材料可应用于谐振器、滤波器、回转器、高密度存贮器等。基于磁-力-电耦合效应的磁电器件同时还对弱磁场敏感,在磁场检测以及能量回收领域有着良好的应用前景。磁致伸缩材料是磁电器件的一个重要组分。与稀土磁致伸缩材料相比,Fe-Ga具有较低的偏置磁场与良好的磁弹性能,在磁电领域受到了一定的关注。本文针对Fe-Ga薄膜在磁电器件中的应用,用磁控溅射制备了Fe-Ga/PZT与Fe-Ga/AlN/Mo/Si两种磁电器件,研究了Fe-Ga薄膜的物性与器件磁电系数间的相关性,旨在优化Fe-Ga磁致伸缩薄膜的性能,提高器件的磁电系数并降低偏置磁场。此工作对磁电器件的开发与应用有一定的意义。本文首先实验证实了器件的磁电系数αME与薄膜的微分磁弹系数(db/dH)存在线性相关性,提出了基于薄膜微分磁弹系数来计算磁电系数的半经验公式。同时研究了不同Si衬底、不同缓冲层及不同溅射参数下的Fe-Ga薄膜,找到了最佳沉积参数。实验还发现Ti和Mo缓冲层在不影响薄膜磁弹性的同时可改善热处理时薄膜与基体的结合,并用EBSD观测到Fe-Ga薄膜晶粒的异常长大。其次本文结合AlN压电薄膜设计了Fe-Ga/AlN/Mo/Si(100)磁电器件,并通过磁场热处理使得器件具有良好的空间角度分辨率。该器件在共振频率下,长度方向的磁电系数为210 V/cm Oe。揭示了面内各向异性是使得该器件具有空间角度分辨率的必要条件。最后通过(Fe-Ga/Fe-Ni)多层薄膜替代器件中单一的Fe-Ga磁性膜。利用磁性层之间的交换耦合改变薄膜磁畴的宽度,降低磁滞损耗,并且提高薄膜整体的压磁系数,有效地降低偏置磁场。(8 nm Fe-Ga/8 nm Fe-Ni)30/AlN/Mo/Si磁电器件在4 Oe的偏置磁场下,磁电系数可到607 V/cm Oe。处于磁交换耦合范围内的(8 nm Fe-Ga/8 nm Fe-Ni)30薄膜具有高微分磁弹系数(0.32 MPa/Oe)与高压磁系数(8.1 ppm/Oe),可以用于制备磁电器件及驱动器等微电子机械系统。
【图文】：

化强度还可以产生电极化强度（正磁电效应），反过来在电场中也可以产生电逡逑极化强度和磁化强度（逆磁电效应）［ｕ］。目前研究的磁电材料主要分为三种，逡逑如图２－１所示曑。逡逑磁电材料逡逑Ｉ逡逑逦Ｉ逦Ｉ逦逦逡逑单相磁电材料逦多相复合磁电材料逡逑Ｉ逦丁逡逑逦Ｉ逦Ｉ逦邋逦逦逡逑纯单相材料逦由铁磁相和铁电相逡逑单相固溶体逡逑如ＢｉＦｅ０３，逦Ｃｒ２０３等逦相对独立两相组成逡逑图２－１磁电材料的分类逡逑纯单相磁电材料的典型代表是Ｃｒ２０３与ＢｉＦｅ０３，这两种材料同时具有铁逡逑磁性和铁电性［５＿７］。根据热力学和对称性理论，在自旋有序的磁性物质内，可逡逑能存在磁电效应。Ａｓｔｒｏｖ、Ｒａｄｏ与Ｆｏｌｅｎ在反铁磁体Ｃｒ２0３单晶中相继观察逡逑到了电致磁电效应与磁致磁电效应［５，８，９］。此后，研宄者们又在很多具有特殊逡逑晶体对称性的反铁磁物质内观察到磁电效应［１１近年来单相磁电材料的研究逡逑集中在ＢｉＦｅ０３薄膜方面。Ｒａｍｅｓｈ等、南策文等、刘俊明等及程晋荣等对逡逑ＢｉＦｅ０３结构稳定性、微波介电性、元素掺杂对多铁性的影响以及理论计算等逡逑进行了大量的研究［１１＿１６１。对于单相磁电材料而言，磁电耦合主要来源于作为逡逑微扰的外磁场或者外部电场，，由对称交换作用、偶极子相互作用、反对称交逡逑换作用，以及塞曼能量所决定。单相磁电材料的研究阐明了耦合效应内在的逡逑物理机制

逑器件在实空间坐标系下三个方向都可以检测到磁电信号［４４］，可以用来制作３Ｄ逡逑场传感器。经过改进的磁电器件减小了阻尼，如图２－２中，磁电系数提高到逡逑１８００邋Ｖ／ｃｍ邋Ｏｅ。经进一步结构优化后，磁电系数达５０００邋Ｖ／ｃｍ邋Ｏｅ，如图２－２逡逑右，该器件有望应用于脑磁图和心磁图的扫描技术。逡逑｜卿二《■八八－”一逦…\l队逦邋？逡逑ｒ邋－逡逑４０逦－４０逦－２０逦０逦２０逦４０逦？０逡逑ＨＪＯ＊）逡逑图２－２邋ＦｅＣｏＳｉＢ／ＡＩＮ磁电器件及其性能优化ｌ４Ｗ６ｌ逡逑磁电材料的研宄也逐渐将器件设计与应用相结合。如Ｃｈｏｕｄｈａｒｙ等ｔ４７］在逡逑柔性衬底上制备ＰＭＮ－ＰＴ／ＣＮＴ／ＰＶＤＦ器件，实现了邋４邋Ｖ、３０邋ｎＡ能量回收。逡逑董蜀湘等［１９］用激光沉积在ＦｅＢＳｉ非晶衬底上制备了［０１１］取向高压电系数的逡逑Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）０３－ＰｂＴｉ０３压电纤维，该器件的磁电系数高达７０００Ｖ／ｃｍＯｅ，磁场逡逑分辨率可到ｌＯ＾Ｔ。高原文等［４８＇５（）１通过理论计算与器件设计，用ＰＺＴ和逡逑Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ制备了用于能量回收的磁电器件，磁电系数达到约３００邋Ｖ／ｃｍ邋Ｏｅ。逡逑李平等［５１＿５３］用ＦｅＣｕＮｂＳｉＢ／Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ复合磁致伸缩材料来降低偏置磁场并设逡逑计了能量回收器件，回收功率达４邋ｍＷ／ｇ。上述的磁电器件具有固定的共振频逡逑率
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2

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本文编号：2601325