NFO/PZT复合磁电薄膜生长制备及性能的研究

　　复合磁电材料因其应用潜力而一直受到研究者的关注。由铁电材料和铁磁材料复合而成的磁电材料不仅具有铁电性和铁磁性,同时还具有复合磁电效应(ME效应),即在外磁场H的作用下产生自发极化值P,或在电场E的作用下产生磁化强度M的改变[1]。复合磁电材料的这些特性,使其具有比一般铁电材料和铁磁材料更为广泛的应用背景[2]。除了在传统的探测器、存储器、读写磁头等领域得到应用外[3-4],还可通过铁电、铁磁性质的集成,进一步增加了微电子信息存储器件设计的自由度,设计出对电、磁、力都响应的集成微电子器件,因而铁电/铁磁复合结构的制备和性能的研究已成为材料研究领域的热点之一[5-6]。

　　通常,复合磁电材料ME效应的产生是由铁电相与铁磁相之间通过弹性应力作用[7]而产生的,但由于普通的复合体系(如固熔块材复合体系、叠层复合体系等)中应力情况复杂,因此,目前的研究对复合磁电材料中应力作用的机理缺乏规律性的认识。复合磁电薄膜的研究使得在纳米尺度研究复合磁电材料中铁电相与铁磁相之间的耦合机制成为可能。特别是在异质外延复合磁电薄膜中,薄膜的取向、厚度、界面粗糙度等都可得到精确的控制,进而可控制铁电相与铁磁相之间的应力作用情况,为研究复合磁电材料的应力耦合机制奠定了基础。

　　NiFe2O4/Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(NFO/PZT)作为典型的磁电复合体系[8],不仅具有良好的铁电性、铁磁性,且具有较强的ME效应。本文中采用脉冲激光沉积(PLD)法制备了高质量的外延NiFe2O4/Pb(Zr0.52Ti0.48)O3双层复合磁电薄膜,并对复合薄膜的磁电性能进行分析。结果表明,复合薄膜的铁电性受NiFe2O4与Pb(Zr0.52Ti0.48)O3之间的应力作用影响而明显减弱,而铁磁性则基本保持NiFe2O4的软磁特性。

　　1　实验

　　实验采用的镀膜设备是中科院沈阳科学仪器研制中心生产的PLD设备,激光器采用LAMBDAPHYSIK公司生产的脉冲宽度为30 ns的KrF准分子激光器(波长为248 nm)。SrTiO3(001)(STO(001))基片由合肥科晶公司提供。实验前,用PLD法在STO(001)基片预先沉积好SrRuO3(SRO)底电极;实验中,激光脉冲频率为4 Hz,激光能量密度为2 J/cm2,生长室保持氧分压为20 Pa。首先沉积PZT薄膜,为防止其中Pb的挥发,沉积温度保持在550℃,沉积时间为1 h,相应厚度为300 nm;PZT薄膜沉积结束后,原位保温10 min,然后升温至650℃,继续沉积NFO薄膜,沉积时间1 h,相应厚度为150 nm。沉积结束后保持氧分压不变将基片温度降至500℃,通入氧气至压强为50.662 5 kPa,退火保温30 min,然后自然降温,完成实验。实验中结构性能分析采用英国Bede公司生产的BedeD1 System多功能X-射线衍射仪(XRD);复合薄膜的电极化强度-外加电场(P-E)曲线由RT66A/RT6000铁电测量仪测得;磁化强度-外加磁场(M-H)曲线由振动样品磁强计(VSM)测得。