CoNi/PZT层状磁电复合材料的制备及其性能研究

摘要

磁电复合材料因其具有良好的磁电耦合效应的特性而被广泛应用在换能器、滤波器和信息存储等领域。磁电复合材料的复合方式有多种，其中层状磁电复合材料因为具有相对较高的磁电耦合系数和更为简单的制备工艺，而获得了较多科学研究工作者的青睐。 然而大量相关研究工作中对层状磁电复合材料磁电耦合的理论解析模型只是建立在假定磁致伸缩层和压电层具备相同长度和宽度的基础之上，忽略了磁致伸缩层和压电层的长度、宽度比等几何效应对磁电耦合系数的影响。CoNi和PZT分别是具备典型应用价值的磁致伸缩材料和压电材料。为了对CoNi/PZT层状磁电复合材料器件的设计和应用提供依据，本文对CoNi/PZT层状复合结构的磁电耦合效应进行了数值仿真分析，并考虑了几何效应对磁电耦合系数的影响；同时，为了满足电子器件在微型化和集成化程度上不断提高的要求，本文还对磁控溅射法制备PZT薄膜、CoNi薄膜以及CoNi/PZT层状复合薄膜的工艺条件进行了研究。论文的主要工作和结论有以下几点： （1）根据弹性理论建立了磁电耦合理论模型，由材料的本构方程和力学平衡条件方程推导出了CoNi/PZT层状复合结构磁电耦合系数的求解表达式，并通过数值仿真分析了磁电耦合系数与两种材料参数和不同几何尺寸分数的关系。 （2）数值仿真结果显示磁电耦合系数先随压电层厚度分数的增大而增大到一个极大值处，然后随厚度分数的进一步增大而逐渐减小，且磁电耦合系数取值几乎总在压电层厚度分数取值0.4左右时取得最大值；压电层的宽度分数和长度分数均在（0,1）区间做取值变化时，宽度分数的变化相对长度分数变化引起的磁电耦合系数的变化更为显著。 （3）通过磁控溅射法沉积制备PZT薄膜，实验发现经过热处理之后的Pt电极，使得PZT薄膜附着性更好；650℃退火5min得到的PZT薄膜结晶良好，表面致密且粗糙度减小；晶胞取向呈现较多的（111）晶相，通过PFM测试得到退火并电极化处理后的PZT薄膜样品具有良好的压电性能。 （4）采用磁控溅射法制备了单相CoNi和CoNi/PZT层状复合薄膜，当真空退火温度为400℃时，CoNi薄膜的饱和磁化强度取得最大值为206.23emu/cc，其矫顽力为105Oe。XRD特征峰分别在2θ=44.36°、51.68°、76.37°时较大幅度的出现，分别对应于面心立方结构CoNi的晶面取向为（111）、（200）、（220）。

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制备及其性能研究

摘 要

Abstract

1.1 引言

1.2 层状复合材料磁电耦合产生机理

1.3 压电材料PZT和磁致伸缩材料CoNi

1.3.1 压电材料PZT的开发和应用

1.3.2 磁致伸缩材料CoNi的开发和应用

1.4 磁电复合材料的研究进展

1.4.1 层状磁电复合材料ME模型的理论解析

1.4.2 层状磁电复合材料的实验研究

1.5 薄膜的制备方法及表征手段

1.5.1 薄膜的制备方法

1.5.2 磁控溅射制膜的原理及应用

1.5.3 薄膜样品的表征手段

1.6 本论文的意义及主要内容

2 CoNi/PZT层状复合结构的磁电效应解析

2.1 CoNi/PZT/CoNi对称层状结构DME模型

2.1.1 磁致伸缩层和压电层的本构方程

2.1.2 自由边界条件下的力学平衡关系式

2.2 磁电耦合系数的求解表达式

2.3 磁电耦合系数的仿真分析

2.3.1 磁电耦合系数与压电层几何参数之间的关系

2.3.2 磁电耦合系数与PZT层横向压电系数的关系

2.3.3 磁电耦合系数与CoNi层纵向压磁系数的关系

2.4 本章小结

3 PZT薄膜的制备与压电性能表征

3.1 磁控溅射仪介绍

3.2 PZT薄膜基本溅射工艺

3.3 退火温度对PZT薄膜微观结构的影响

3.4 PZT薄膜的压电性能表征与分析

3.4.1 压电力显微镜PFM的工作原理

3.4.2 PZT薄膜的压电性能

3.5 本章小结

4 CoNi/PZT复合薄膜的制备与性能表征

4.1 CoNi薄膜的制备及表征

4.2 CoNi/PZT复合薄膜的制备与表征

4.3 CoNi/PZT复合薄膜的磁电耦合作用

4.4 本章小结

5 总结与展望

致谢

参考文献