磁控濺射法制備BiFeO3/CoFe2O4多鐵性復(fù)合薄膜及其鐵電鐵磁性研究
用磁控濺射法在Pt/TiO2/SiO2/Si 襯底上成功制備了BiFeO3 (BFO)/CoFe2O4(CFO)層狀結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜,測試結(jié)果顯示此磁電復(fù)合薄膜在室溫下同時(shí)存在鐵電性和鐵磁性。在70V 極化電壓,室溫條件下,剩余極化強(qiáng)度(2Pr)和矯頑電場強(qiáng)度(2Ec)分別為77 μC/cm2 和678 kV/cm;飽和磁化強(qiáng)度(2Ms)和矯頑磁場強(qiáng)度(2Hc)分別為154 emu/cm3 和2.6 kOe。
1970 年,Aizu 根據(jù)材料的鐵電、鐵磁、鐵彈三種性質(zhì)有一些相似點(diǎn),將其歸結(jié)為一類,提出了鐵性材料的概念 。1994 年,Schmid 提出了多鐵性材料的概念,即具有兩種以上鐵性的單相化合物 。但是,鐵電性產(chǎn)生的必須因素是氧八面體中心的過渡金屬離子的d 電子軌道為空軌道,產(chǎn)生鐵磁性的必要條件是過渡族金屬離子的d軌道占據(jù)半滿的電子,然而d 電子的存在抑制了鐵電性的產(chǎn)生,因此這兩個(gè)因素很難同時(shí)滿足;并且鐵電材料通常是一種絕緣體,而鐵磁材料通常是導(dǎo)體。這些條件相互制約,使得同時(shí)具備鐵電性和鐵磁性的單相多鐵性材料非常稀少。
BiFeO3(BFO)是一種具有菱形扭曲的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的多鐵性材料,室溫下同時(shí)具有兩種結(jié)構(gòu)有序,即鐵電有序(Tc=1103 K)和G 型反鐵磁有序(TN = 643 K),是少數(shù)室溫下同時(shí)具有鐵電性和鐵磁性的多鐵性材料之一。研究結(jié)果顯示薄膜形態(tài)的BFO 比塊體材料的BFO 的Pr 值要大一個(gè)數(shù)量級,新加坡的J.Wang 在單晶SrTiO3 襯底上制備的BFO 薄膜的Pr 值達(dá)到50~150 μC/cm2。然而,BFO 的螺旋磁結(jié)構(gòu)使得其在低磁場下僅表現(xiàn)極弱的鐵磁性。CoFe2O4 ( CFO)是一種尖晶石型晶體結(jié)構(gòu)的磁性材料,具有磁各向異性高、矯頑場大、電阻率高,化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),因此,本實(shí)驗(yàn)選用該鐵磁相材料,由BFO/CFO 組成復(fù)合相結(jié)構(gòu)的多鐵性薄膜。
磁電效應(yīng)是指多鐵性材料在鐵電相和鐵磁相的耦合乘積協(xié)同作用下,產(chǎn)生的復(fù)合效應(yīng),具有磁電性的磁電材料可以用于設(shè)計(jì)磁- 電- 力轉(zhuǎn)換器、磁傳感器、移相器、衰減器,及新型存儲器等器件[8]。因此,被廣泛的關(guān)注,成為當(dāng)今功能材料的研究熱點(diǎn)。將鐵電、鐵磁兩相物質(zhì)交替地沉積在基片上就可以得到2- 2 型疊層結(jié)構(gòu)的磁電復(fù)合薄膜。由于這種結(jié)構(gòu)的實(shí)用性以及制備工藝易于控制,使得人們對其進(jìn)行了不斷的嘗試和探索。2004 年,H.Zheng 等報(bào)道了用激光脈沖沉積(PLD)法制備的2- 2 型BaTiO3/CoFe2O4 復(fù)合薄膜的磁電效應(yīng)。注意到磁控濺射法具有速度快、易掌控,成本低等特點(diǎn),我們選用前述兩種鐵電和鐵磁性能優(yōu)越的材料(BFO、CFO),以疊層結(jié)構(gòu)的方式,用該方法制備了磁電復(fù)合薄膜,并對其鐵點(diǎn)、鐵磁性能進(jìn)行了研究。
1、實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)使用的鍍膜設(shè)備是中國科學(xué)院北京科學(xué)儀器研究中心生產(chǎn)的JED- 400 磁控濺射鍍膜機(jī)。BFO 靶是用分析純的Bi2O3 和Fe2O3 按摩爾比1:1 配比,在箱式爐中820℃燒結(jié)3 h 而成;CFO靶是用分析純的CoO 和Fe2O3 按摩爾比1:1 配比, 在箱式爐中1200℃ 燒結(jié)3 h 制得。
BiFeO3/CoFe2O4 復(fù)合磁電薄膜的制備分為兩步:第一步,在Pt/TiO2/SiO2/Si 襯底上沉積一層150 nm的CFO 膜層,濺射功率為5.3 W/cm2,然后,在空氣氣氛下800℃退火3 h;第二步,在CFO 膜上再沉積一層800 nm 的BFO 膜層, 濺射功率為4 W/cm2,然后,在空氣氣氛下650℃快速退火30 min。為了對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果,同時(shí)分別制備了單一的BFO 膜和單一的CFO 膜。頂層Pt 點(diǎn)陣電極的制備采用直流濺射法, 以孔徑為0.1~0.15 mm 的掩膜片作掩膜, 濺射功率1.5 W/cm2,電極厚度控制在150 nm 左右。實(shí)驗(yàn)中薄膜厚度的測量使用美國AMBIOS 公司的XP- 2 型臺階儀。圖1 BiFeO3/CoFe2O4 復(fù)合磁電薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1 BiFeO3/CoFe2O4 復(fù)合磁電薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖
實(shí)驗(yàn)中薄膜的晶體結(jié)構(gòu)分析采用德國Bruker 公司的D8 ADVANCE- X 射線衍射儀,薄膜的表面形貌分析采用美國熱電公司生產(chǎn)的Autoprobe CP Research 原子力顯微鏡,鐵電測試采用美國Radiant 公司Precision Premier II 鐵電測試系統(tǒng),薄膜的磁性能測試采用美國Lake ShoreCryotronics 公司的Lake Shore 7410 VSM 震動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)。
3、結(jié)論
用磁控濺射法在Pt/TiO2/SiO2/Si 襯底上成功制備了BiFeO3 (BFO)/CoFe2O4(CFO)復(fù)合磁電薄膜。檢測結(jié)果表明,除了CFO、BFO 和少量BFO雜項(xiàng)以外,并沒有其他化合物存在;復(fù)合膜結(jié)構(gòu)在室溫下同時(shí)存在較好的鐵電性和鐵磁性,在70 V 極化電壓,1 kHz 頻率下, 剩余極化強(qiáng)度(2Pr)和矯頑電場強(qiáng)度(2Ec)分別為77 μC/cm2 和678 kV/cm;室溫條件下,飽和磁化強(qiáng)度(2Ms)和矯頑磁場強(qiáng)度(2Hc)分別為154 emu/cm3 和2.6 kOe。