反铁电PLZST/LSMO复合薄膜的制备及其磁电性能研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:angella_dj
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随着人类文明的不断发展,智能化成为当今科技的主流发展方向。功能材料作为人工智能的重要支撑,是当今材料领域的研究热点。在众多的功能材料中,磁电材料因为能同时对磁信号和电信号做出响应,受到了科研工作者的广泛关注。采用铁电材料与铁磁材料制备的磁电复合薄膜作为磁电材料的重要分支,在磁电性能、使用温度、微观机理研究及小型化方面都具有独特的优势,因而成为磁电材料领域的研究热点。与铁电材料相比,反铁电材料在一定电场、温度及应力条件下可发生反铁电-铁电相变,故而拥有铁电和反铁电两种状态。从理论上讲,采用反铁电材料与铁磁材料制备的磁电复合薄膜将具有更为丰富的物理内涵,因而逐渐受到科研工作者的关注。本文以La0.7Sr0.3MnO3作为铁磁层,以(Pb0.97La0.02)(Zr0.66Sn0.23Ti)O3作为反铁电层,构筑了2-2型磁电复合薄膜。系统研究了制备工艺、衬底等因素对薄膜磁学、电学及磁电容性能的影响。主要研究内容和创新性结果如下:(1)采用溶胶-凝胶法在Si(001)衬底上制备了LSMO薄膜,薄膜表现出良好的磁学和电学性能。在500 Oe磁场下薄膜的饱和极化强度和居里温度分别为220 emu/cm3和334 K;室温下的电阻率为0.14Ω·cm。(2)采用溶胶-凝胶法制备了PLZST薄膜,系统研究了不同退火温度、退火时间、覆盖层以及薄膜厚度对薄膜微观结构以及电学性能的影响。结果表明:(a)制备PLZST薄膜的最优退火工艺为700℃保温30min;(b)设计覆盖层可有效避免PLZST薄膜因铅挥发而导致的性能恶化,采用覆盖处理后薄膜介电常数提高25.4%,饱和极化强度提高29.1%;(c)随着薄膜厚度由234 nm增加到532 nm,衬底对薄膜的应力作用减弱,PLZST薄膜的剩余极化强度减小28.3%,ΔE减小34%,储能效率由66.4%提高到68.8%;但是转折场的降低导致薄膜的储能密度由7.9 J/cm3下降到6.7 J/cm3。(3)采用溶胶-凝胶法在Al2O3(0001)衬底上制备了LSMO薄膜,并对LSMO/Si与LSMO/Al2O3薄膜的磁学和电学性能进行了对比:(a)在500 Oe磁场下LSMO/Al2O3薄膜具有更高的饱和磁化强度(260 emu/cm3),更低的矫顽场(27.5 Oe),和更高的居里温度(346 K);(b)室温下LSMO/Al2O3薄膜具有更低的电阻率(0.09Ω·cm),更高的金属绝缘转变温度(258 K);(c)在1T磁场下,LSMO/Si在50 K和室温下的磁电阻值分别为-28.7%与-12.0%;LSMO/Al2O3在50 K和室温下的磁电阻值分别为-26.8%与-12.9%。(4)采用溶胶-凝胶法分别在Si衬底和Al2O3衬底上制备了PLZST/LSMO复合薄膜,并对两种薄膜的性能进行了对比,研究表明:相对于PLZST/LSMO/Si复合薄膜,PLZST/LSMO/Al2O3复合薄膜具有更为优异的电学性能和磁电容效应。室温下PLZST/LSMO/Al2O3复合薄膜的击穿场强高达4.0 MV/cm,储能密度为46.3 J/cm3,储能效率为88.4%,介电调谐率为75.9%,磁电容效应为2.51%,低温下PLZST/LSMO/Al2O3复合薄膜的磁电容效应更是达到了20.1%(50K)。此外PLZST/LSMO/Al2O3复合薄膜还具有更为优异的疲劳稳定性。
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