1-3型MnZnFe2O4-Pb(ZrTi)O3磁介电复合薄膜的制备及其性能研究

摘要

多铁性复合材料中的铁磁性和铁电性材料分别在磁场和电场的作用下具有一定的调谐性，该特性在微波和射频调谐器件中具有很大的应用前景。本论文从有效媒质理论出发，设计并选择了 MnZnFe2O4(MZF)和 Pb(ZrTi)O3(PZT)作为磁介电复合薄膜的两相组分，主要是因为(1)铁电材料PZT具有高介电常数、低损耗以及高介电调谐率；(2)软磁材料MZF同时具有高的介电常数以及高的磁导率。当将两相进行1-3维纳米复合时，一方面可以利用纳米柱的形状各向异性提高MZF的工作频率，另一方面可以利用基底应变调节铁电相的c/a比，进而增加介电常数。
　　采用离轴磁控溅射法在(001)MgAl2O4(MAO)单晶基片上制备了1-3型MZF-PZT磁介电复合薄膜。通过X射线衍射分别研究了基片温度、溅射气压、溅射功率和溅射时间对薄膜结构的影响，确定了(001)取向MZF-PZT磁介电复合薄膜的制备工艺。对MZF-PZT磁介电复合薄膜的铁磁性、铁电性以及介电性进行了表征。该薄膜的饱和磁化强度Ms、剩余磁化强度Mr、相对剩磁比(Mr/Ms)分别为112 emu/cc、28 emu/cc、25％。该薄膜具有较好的P-E性能，其饱和极化强度Ps为16?C/cm2，两倍剩余极化强度2Pr为24?C/cm2。就其介电性而言，在电场强度为100 kV/cm时，调谐率最大达到25%，但其漏电流高，损耗因子较大。
　　为了进一步提高薄膜的性能，对制备工艺条件进行了优化，并在(001)和(111)MAO单晶基片上制备出了性能良好的1-3型 MZF-PZT磁介电复合薄膜。X射线衍射和AFM分析表明两种薄膜均为1-3型结构，且薄膜的铁磁性、铁电性以及介电性均得到改善。(001)取向的MZF-PZT复合薄膜的饱和磁化强度增加为130 e mu/cc，而(111)取向的MZF-PZT复合薄膜的饱和磁化强度为147 e mu/c c。(001)和(111)取向的MZF-PZT复合薄膜的两倍剩余极化强度(2Pr)均为16μC/cm2，漏电流分别为~40μA/c m2和~10μA/c m2。当外加电场强度为50 kV/c m时，(001)和(111)取向的MZF-PZT磁介电复合薄膜的调谐率分别为26%和55%。当外加电场为60 kV/cm时，(001)取向的MZF-PZT磁介电复合薄膜的调谐率达到最大为31%，而(111)取向的MZF-PZT磁介电复合薄膜在电场强度为100 kV/c m时，其调谐率达到最大为71%。两种取向的MZF-PZT磁介电复合薄膜均具有小的损耗因子。

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第一章 绪 论

1. 1 磁介电复合薄膜材料

1. 2 磁介电复合薄膜材料的发展进程

1. 3 1-3型的磁介电复合薄膜的研究进展及研究意义

1. 4 磁介电复合薄膜材料的应用

1. 5 本论文的主要内容安排

第二章 高μ 和ε 复合材料的理论研究

2.1 有效介电常数ε eff的计算方法

2. 2有效磁导率μ eff的计算方法

2. 3 格林函数法估算复合材料的损耗

2.4 具有高ε eff和μ eff的复合材料

第三章 磁介电复合薄膜材料的制备和表征方法及原理

3. 1 制备方法及原理

3. 2 表征方法及原理

第四章 1-3型MZF-PZT磁介电复合薄膜的制备及性能研究

4. 1 1-3型MZF-P ZT磁介电复合薄膜的制备

4. 2 影响1-3型MZF-P ZT磁介电复合薄膜结构的因素研究

4. 3 溅射时间对薄膜铁磁性能的影响

4. 4 1-3型MZF-P ZT磁介电复合薄膜的形貌研究

4. 5 1-3型MZF-P ZT磁介电复合薄膜的铁电性研究

4. 6 1-3型MZF-P ZT磁介电复合薄膜的介电性研究

4. 7 本章总结

第五章 1-3型MZF-PZT磁介电复合薄膜的高温制备及性能研究

5. 1 1-3型MZF-P ZT磁介电复合薄膜的高温制备

5. 2溅射时间对薄膜结构的影响

5. 3不同基片取向和溅射时间对铁磁性能的影响

5. 4 不同取向的1-3型MZF-P ZT磁介电复合薄膜的形貌研究

5. 5不同取向的1-3型MZF-P ZT磁介电复合薄膜的铁电性研究

5. 6不同取向的1-3型MZF-P ZT磁介电复合薄膜的介电性研究

5. 7 本章总结

第六章 结论

6. 1 总结

6. 2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果