Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4多铁性层状磁电材料制备与性能研究

摘要

多铁性磁电材料不仅具有铁电性和铁磁性，同时还具有磁电耦合效应。磁电耦合效应是指外加磁场所引起的电极化，或外加电场所引起的磁化。这种磁场与电场相互转换的特性使多铁性磁电材料在信息存储器、磁场传感器、滤波器和移相器等方面具有很大的应用潜力。由于单相多铁性磁电材料的磁电耦合效应较弱，目前多铁性磁电复合材料已经成为研究的热点。本文采用溶胶—凝胶法制备Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状磁电复合薄膜，用溶胶—凝胶+分步烧结法制备Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状磁电复合陶瓷，其主要研究内容和结论如下所示：
　　(1)采用弹性理论结合热力学方法，研究了层状多铁性磁电复合结构的介电可调性。建立了CoFe2O4/Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4三层结构模型，通过改变薄膜厚度比和外磁场，研究对材料的相关性能进行调控的可行性。磁致伸缩应力通过界面调控Ba0.8Sr0.2TiO3层的应力，从而实现通过调节磁场来调节铁电层的介电性能，结合铁木辛柯的弹性理论，引入CoFe2O4的磁致伸缩效应，并利用金兹堡朗道理论来计算了Ba0.8Sr0.2TiO3的介电性能随各层厚度及外加电场和温度场的关系。
　　（2）研究了溶胶—凝胶旋涂工艺制备Ba0.8Sr0.2TiO3铁电薄膜和CoFe2O4铁磁薄膜的相关方法，对Ba0.8Sr0.2TiO3研究了前驱体溶液的配置、薄膜的匀胶、湿膜的热处理等制备环节的工艺，重点研究了制备Ba0.8Sr0.2TiO3薄膜时溶剂的选择，研究了柠檬酸和乙二醇添加量对CoFe2O4晶体结构及晶粒尺寸的影响。
　　（3）研究了Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状复合薄膜的电学特性和磁学特性。随着CoFe2O4旋涂层数的增加，复合薄膜的铁电性有所增大，漏电流略有降低，不同CoFe2O4厚度的层状复合薄膜的介电常数都随着频率的增加而减小，介电损耗先随测试频率增加出现峰值现象，随着CoFe2O4厚度的增大，介电损耗增大，并且介电损耗峰值向高频方向移动。饱和磁化强度和剩余磁化强度随CoFe2O4旋涂层数的变化是近似线性的，但随着CoFe2O4厚度的变化表现出一定的非线性，矫顽场Hc复合薄膜的矫顽场随着CoFe2O4旋涂层数的增大先增大后减小，说明复合材料存在磁各向异性。
　　（4）研究了Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状复合薄膜的正磁电耦合效应。被恒定磁场磁化后的Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状复合薄膜极化强度和矫顽场都比磁化前减小，不同CoFe2O4厚度的层状复合薄膜在测试磁场区间内分别出现一个正磁电效应耦合系数峰值。研究了不同电极对Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状复合薄膜结构和电学性质的影响，生长在BaPbO3底电极上的Ba0.8Sr0.2TiO3薄膜更容易择优取向，Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状复合薄膜具有电极更大饱和极化强度，更小的剩余极化强度和矫顽场，使用BaPbO3/Pt双电极结构，Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状复合薄膜显示出更好的铁电性能，氧化物电极BaPbO3能够在很大程度上改善Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状复合薄膜的疲劳特性。
　　（5）分别采用溶胶—凝胶化学反应+分步烧结法以及固相反应+粘接法制备Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状复合块体，比较了两种方法得到的层状磁电块材的电学特性、磁学特性和磁电耦合性能。微波燃烧溶胶—凝胶得到颗粒细小的Ba0.8Sr0.2TiO3和CoFe2O4粉体，分步烧结方式，有效克服两种材料热收缩率的差异导致的陶瓷裂纹。固相反应法得到的层状复合陶瓷的铁电性明显低于溶胶—凝胶法制备的层状复合陶瓷的铁电性，溶胶—凝胶法得到的层状磁电陶瓷漏电流和介电常数较小，固相反应法制备得到的层状磁电陶瓷磁各向异性更加明显，溶胶—凝胶法制备的层状磁电陶瓷铁电层和铁磁层之间存在一个具有一定深度的相互渗透区域，正磁电耦合系数略大于固相反应法制备的样品，两种方法得到的层状磁电陶瓷的逆磁电耦合系数均随着频率的增加而减小，相位差没有表现出明显的规律性。

目录

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 磁电材料发展历史

1.3 多铁材料的理论研究进展

1.4 多铁材料的实验研究进展

1.5 多铁材料的应用

1.6 多铁材料的制备方法及表征手段

1.7本论文的主要内容

2 Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状复合结构的介电可调性理论研究

2.1 引言

2.2 层状结构模型的建立

2.3 铁电相变温度与外磁场的关系

2.4磁场对介电常数的调控

2.5 本章小结

3 Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状复合薄膜的制备工艺探索及结构分析

3.1 引言

3.2 Ba0.8Sr0.2TiO3薄膜的溶胶—凝胶制备工艺探索

3.3 CoFe2O4薄膜的溶胶—凝胶制备工艺探索

3.4 Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状复合薄膜的制备及结构分析

3.5 本章小结

4 Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状磁电复合薄膜的电学特性研究

4.1 Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状复合薄膜的电学特性研究

4.2 电极对Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状复合薄膜电学性质的影响

4.3 本章小结

5. Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状磁电复合薄膜的磁学特性及磁电耦合性能研究

5.1 Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状复合薄膜的磁学特性研究

5.2 Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状复合薄膜的磁电效应研究

5.3 本章小结

6. Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状磁电陶瓷材料制备及性能研究

6.1 引言

6.2 Ba0.8Sr0.2TiO3/CoFe2O4层状磁电陶瓷的制备

6.3 两种制备方法得到的样品的性能研究

6.4 本章小结

7 全文总结

7.1 本文结论

7.2 本文的创新之处

7.3 需要进一步研究的问题

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的论文