柔性磁传感薄膜材料与器件研究成果

<正>柔性智能可穿戴设备的快速发展,提出了磁电功能器件柔性化的要求。由于磁性材料的逆磁致伸缩特性,弯曲或拉伸状态所产生的应力/应变会改变磁性薄膜的磁各向异性,从而影响磁性器件的性能。如何避免应力磁各向异性对柔性磁性器件性能产生不利的影响,是柔性磁性薄膜与器件发展中所面临的重要挑战之一。近年来,中国科学院宁波材料技术与工程研究所磁性材料与器件重点实验室磁电子     

镍酸镧界面层对锆钛酸铅膜–钴铁氧体陶瓷复合磁电材料性能的影响

以化学溶液沉积法制得的LaNiO3薄膜作为Pb(Zr0.52Ti0.48)O3膜-CoFe2O4陶瓷复合材料的导电界面层,利用其优良的导电性保证磁电信号的有效输出。LaNiO3界面层的引入,使得复合材料体系的铁电性能、压电性能得到有效表达,其层面内磁电耦合系数达到58mV/(cm Oe)。继续优化制备工艺及界面层的参数,磁电耦合性能将进一步提高。     

宁波材料所在柔性磁传感薄膜材料与器件研究方面取得系列进展

正柔性智能可穿戴设备的快速发展,提出了磁电功能器件柔性化的要求。由于磁性材料的逆磁致伸缩特性,弯曲或拉伸状态所产生的应力/应变会改变磁性薄膜的磁各向异性,从而影响磁性器件的性能。如何避免应力磁各向异性对柔性磁性器件性能产生不利的影响,是柔性磁性薄膜与器件发展中所面临的重要挑战之一。近年来,中科院宁波材料所磁性材料与器件重点实验室磁电子材料与器件研究团队,系     

SiO2表面包覆改性钛酸钡/聚酰亚胺复合薄膜的制备

通过溶胶凝胶法在BaTiO3纳米粉体表面包覆了一层SiO2壳层,在此基础上利用原位聚合法成功制备了SiO2包覆的钛酸钡(BT)/聚酰亚胺(PI)复合薄膜.SiO2通过范德华力等物理作用在BaTiO3表面形成了4 nm左右的SiO2壳层.SEM测试和介电性能测试表明,10％ SiO2@BT/PI具有较好的界面相容性和介电性能.在1 kHz下,复合薄膜介电常数为4.50,介电损耗达到0.148.热学性能测试表明,复合薄膜在500℃下具有良好的热稳定性.     

退火处理对钛酸钡微弧氧化铁电薄膜物相的影响

以工业纯钛板作为阳极,在Ba(OH)2溶液中微弧氧化制得BaTiO3薄膜。研究了BaTiO3薄膜的表面形貌和物相组成,着重研究了退火处理对BaTiO3薄膜物相的影响。微弧氧化所得薄膜表面凹凸不平,且存在大量分布不均的孔洞,主要由六方相BaTiO3组成,经不同温度退火后,其物相组成发生很大变化。在1 100°C下退火1 h后,薄膜中开始出现四方相BaTiO3;随着热处理温度的升高和保温时间的延长,更多的BaTiO3由六方相向四方相转变。但高温退火过程中基体Ti与微弧氧化膜反应形成的氧化物层会影响薄膜的铁电性能。     

Pb(Zr,Ti)O_3/Terfenol-D叠层结构中的磁电共振特征及其磁电压分布

研究了Pb(Zr,Ti)O3/Terfenol-D(Tb1-xDyxFe2)合金叠层结构的磁电压特征.介电常数和磁导率随频率变化特征表明,复合样品的电-机械谐振和磁-机械谐振不在同一频率.电-机械谐振和磁-机械谐振均可以增强磁电耦合效果,电-机械谐振对磁电耦合的影响比磁-机械谐振的影响大得多.磁电压的相位差在电-机械谐振频率附近增加0.75π～π.在磁-机械谐振频率附近出现明显的突变.磁电压显示出中心线对称分布,样品的不同位置对磁电压输出的贡献不同.磁电压的不同分布是由于应变的分布方式和谐振模式造成的.     

基于静电耦合的PZT/BTO多层异质薄膜介电增强研究

采用溶胶凝胶法制备了PbZr_(0.52)Ti_(0.48)O_3/BaTiO_3(PZT/BTO)多层异质薄膜,讨论了保持总厚度相同的情况下,不同周期厚度对多层异质薄膜的铁电和介电性能的影响。研究表明,随着周期厚度的减薄,层数的增加,层间的晶格失配能有效改善薄膜的结晶度,促使薄膜形貌更加平整和均匀,并且有相对较低的损耗和漏电流密度。此外,由于层间极化失配产生的层间静电耦合效应,以及空间电荷极化的存在,PZT/BTO异质薄膜的介电、铁电性能随着周期厚度的减小有着显著的提高。在周期厚度减小到55 nm时,100 k Hz测试频率下,介电常数高达293,品质因数Q为447,并表现出最优的铁电性能。     

多铁性氧化物基磁电材料的制备及性能

多铁性材料由于其不但具有单一的铁性(如铁电性、铁磁性和铁弹性),而且由于铁性的耦合协同作用,会产生一些新的效应,使其可广泛应用于换能器、传感器、敏感器、多态存储等高技术领域。而氧化物基单相/复相陶瓷及其薄膜材料(如BiFeO_3,铁氧体/锆钛酸铅等),由于其良好的铁磁、铁电性能,正成为磁电材料的研究热点。本文综合介绍了几种单相、复合磁电陶瓷、薄膜材料的制备,论述了材料的显微结构与磁电性能之间的关联,并指出了该类材料存在的问题和今后的发展方向。单相磁电材料至今还没能应用到实际中,主要是因为大部分单相材料的Neel或Curie温度较低,在很低的温度下才有磁电效应,磁也转换系数随着温度升高到室温而趋于零。具有低漏导的BiFeO_3薄膜(具有高的Curie温度)将具有铁电应用,但作为多铁性应用,还需解决弱的磁电耦合性。虽然复合磁电材料性能比单相材料性能好,但是仍然存在一些问题。磁电多铁性材料具有潜在的巨大的商业应用前景,已使其成为新的研究热点。     

铌镁酸钡缓冲层对锆钛酸铅薄膜漏电流的抑制

将铌镁酸钡(Ba(Mg1/3Nb2/3)O3,BMN)作为缓冲层,通过溶胶-凝胶法制备了锆钛酸铅(Pb(Zr0.52Ti0.48)O3,PZT)铁电薄膜.探究BMN缓冲层对PZT铁电薄膜介电、铁电性能影响.研究发现:BMN缓冲层不仅可以改善PZT薄膜晶化生长,同时阻碍了PZT与Pt的互扩散而降低了漏电流.由于对漏电流的抑制作用,适当厚度BMN缓冲层的引入可改善PZT的铁电性能,但随着缓冲层厚度的增加,由于其分压作用,复合膜铁电性减弱.当厚度为10 nm时,薄膜的综合性能最好:介电常数εr=1612.03,介电损耗tanδ=0.024,剩余极化值Pr=31.65 μC/cm2,矫顽场Ec=71.5 kV/cm,漏电流密度J=4.4×10-6 A/cm2.     

厚度对溶胶-凝胶法制备BaTi0.99Fe0.01O3薄膜的结构及电性能研究

采用溶胶-凝胶法制备在Pt/Ti/SiO₂/(100)Si基片上不同厚度的BaTi_0.99Fe_0.01O₃(BFTO)薄膜，研究了不同薄膜厚度对BFTO薄膜的晶体结构、介电和铁电性能的影响。在薄膜厚度低于370 nm时，BFTO薄膜呈现四方相结构，而随着厚度进一步增加，薄膜的四方性降低。随着厚度的增加，有利于提高薄膜的介电常数，而铁电性能逐渐降低。在厚度为370 nm时，薄膜具有良好的铁电性能和较低的漏电流，剩余极化P_r为12μC/cm²，漏电流密度为2.4×10^-6 A/cm²。     

钽镁酸钡缓冲层对锆钛酸铅铁电薄膜性能的影响

采用溶胶–凝胶工艺在Pt/Ti/Si O2/Si基片上,通过引入钽镁酸钡[Ba(Mg1/3Ta2/3)O3,BMT]缓冲层,制备了锆钛酸铅[Pb(Zr0.52Ti0.48)O3,PZT]铁电薄膜。研究了BMT缓冲层对PZT铁电薄膜结晶和性能的影响。结果表明:引入BMT缓冲层利于PZT薄膜的生长;PZT薄膜具有钙钛矿结构,且没有裂纹、结晶良好、致密性好;缓冲层的厚度对PZT铁电薄膜的微观结构和铁电性能有重要影响。随BMT缓冲层厚度增加,PZT晶粒增大,介电损耗tanδ逐渐减少,介电常数εr和剩余极化强度Pr先增大后减少,矫顽场Ec先减少后增大。当BMT缓冲层厚约为10 nm时,PZT薄膜具有最优的铁电性能:εr=1 850,Pr=20.2μC/cm2,Ec=43.9 k V/mm。这与BMT与PZT具有相似的晶格常数、较小的晶格失配度和相近的禁带宽度有关。     

Pb用量对锆钛酸铅薄膜微观结构和铁电性能的影响

在Pt/Ti/SiO2/Si基片上,通过多次匀胶旋涂-预热处理工艺制备了PbTiO3(PT)无机薄层夹心的锆钛酸铅(lead zirconate titanate,PZT)薄膜,然后经650℃退火处理得到了所需的具有钙钛矿结构的PZT铁电薄膜.用X射线衍射、原子力显微镜表征了PZT铁电薄膜微观结构,并测试铁电性能.结果表明:制备PT层时的Pb用量对得到的PZT铁电薄膜的微观结构和铁电性能有重要影响.当Pb过量15%(摩尔分数)左右时,得到的PZT铁电薄膜不仅晶界清晰,晶粒尺寸分布均匀,具有纯钙钛矿结构,而且铁电性能优异,剩余极化强度Pr=21μC/cm2,矫顽场Ec=37kV/cm.     

掺银磁铁矿复合薄膜的制备及室温磁电阻效应

采用溶胶-凝胶技术结合旋涂法,以聚乙烯醇作为鳌合剂,选择适当的退火程序,制备了由金属Ag相和Fe3O4相所组成的Agx(Fe3O4)1-x=0,0.1,0.2,0.3)复合薄膜.磁力显微镜观察表明,Fe3O4晶粒为单畴颗粒,其直径为75～85 nm,小于理论计算的单畴,临界尺寸.磁性测量表明:x=0.1和0.3薄膜的矫顽力坼分别为23.1 kA/m和28.6 kA/m,很接近于Fe3O4的磁晶各向异性场HK(27.1 KA/m).室温(300K)下,x=0.1的薄膜具有最大的磁电阻,700 kA/m磁场下为-3.5%,高于纯Fe3O4薄膜的低场磁电阻(-2.2%).随着Ag含量进一步增加,薄膜的室温磁电阻减小.适量金属Ag的掺入有利于提高Fe3O4薄膜的磁电阻,这归因于自旋极化电子在Fe3O4晶粒和Ag颗粒界面处的自旋相关散射以及穿过Fe3O4-Fe3P4晶界的自旋极化隧穿的共同作用.     

单槽脉冲电沉积制备钴/铂多层膜及其性能表征

在由0.1mol/L Co(NH2SO3)2、0.01mol/LPt(NO2)2(NH3)2和0.1mol/L NH2CH2COOH组成的镀液中,通过循环伏安法得到了Co2 和Pt2 在铜基底上的沉积电位。利用单槽电位脉冲沉积法制备了Co/Pt多层膜,并研究了脉冲电位对薄膜结构和磁性能的影响。结果表明:脉冲上限电位和下限电位相差较小时,Co/Pt磁性薄膜具有取向生长的fcc相结构,界面合金的形成使其具有较大的垂直各向异性和矫顽力。通过计算δM曲线,揭示在脉冲上限电位为–0.6V、下限电位为–0.95V的条件下制备的Co/Pt多层膜中存在交换耦合作用,产生了剩磁增强效应。     

单晶硅上电沉积Cu/Co纳米多层膜及其巨磁电阻效应

采用双脉冲控电位技术在单晶硅上沉积了一系列Cu/Co纳米多层膜,调制波长从200nm到5nm不等.用扫描电镜及X射线衍射对多层膜的调制结构进行了表征.采用四探针法测试多层膜的巨磁电阻（GMR）效应,研究了GMR与调制波长（λ）、铜的子层厚度（δ_Cu）的关系：λ较大时,没有观察到明显的GMR效应;λ＜30nm时,GMR效应随λ减小而增大;而λ＜8nm时,GMR值随铜层厚度的变化周期性振荡.     

0-X型磁电复合材料耦合效应研究进展

综述了国内外0-X型复合多铁性材料磁电耦合效应的研究进展。由磁性纳米微粒与铁电相复合而成的0-X型磁电复合多铁性材料具有更大的界面面积、更好的分散性以及因磁性相之间较差的连通性所带来的高阻特性等优点,理论上可获得室温下更强的磁电耦合效应。但是,0-X型磁电复合多铁性材料的磁电耦合效应不仅与铁电相和铁磁相本身有关,还依赖于两相的界面、尺寸、外延应变以及连接形式等因素,其中,磁电相之间的连接形式直接决定了复合材料中磁电相的分散性、界面面积及界面之间的作用力大小,进而影响磁电复合多铁性材料的磁电耦合性能。     

La0.70Ca0.30–xSrxMnO3薄膜的制备及磁卡效应

采用溶胶–凝胶旋涂法在Si基片上生长La0.70Ca0.30–x Srx MnO3(x=0,0.05,0.10,0.15)薄膜材料。利用X射线衍射仪、原子力显微镜、场发射扫描电子显微镜和振动样品磁强计对薄膜的结构、形貌、膜厚、Curie温度和磁卡效应进行了研究。分析了Sr含量对薄膜磁性能和磁卡效应的影响。结果表明,薄膜为单相正交钙钛矿结构,薄膜表面平整致密,均方根粗糙度约为2.3 nm,薄膜厚度约为260 nm。在室温条件下,随Sr含量增加,薄膜的磁性由顺磁性转变为铁磁性,Curie温度和最大磁熵变均向高温移动。当x=0.15时,薄膜在299 K时的最大磁熵变达到16.04 mJ/(cm3 K),有较好的室温应用前景。     

电沉积钴-钨合金薄膜的磁性能及其测量方法

采用电沉积技术在纯铜片上制备了钴-钨合金薄膜,并研究了钴-钨合金薄膜的磁性能与其厚度、结构及表面形貌等的关系。结果表明:钻鹄电沉积属于诱导共沉积,铸在鉛表面氢原子的催化作用下与钴发生共沉积。钴-钨合金薄膜的厚度约为6um,属于Co3W四面体结构,其表面由典型瘤状颗粒构成。钴-钨合金薄膜垂直方向的磁性能优于平行方向的磁性能,最大矫顽力为74.42 kA/m.     

水热合成钛酸锶粉体增强压敏电阻器电性能的研究

以硝酸锶Sr(NO3)2为锶源、酞酸四丁酯Ti(OC4H9)4为钛源,加入矿化剂NaOH/KOH,在130℃下反应24h水热合成了SrTiO3粉体。将水热粉体应用到压敏电阻器中,分别采用XRD、电性能测试、SEM等手段对产物进行表征。电性能测试结果显示,与传统固相法制备的SrTiO3压敏电阻器相比,同配方下此类压敏电阻器电性能获得显著提高,压敏电压V1mA和非线性系数ɑ分别达到120V和8。     

Co/Cu纳米多层膜的电化学制备及其微观结构的表征

以(110)高择优的Cu片为基底,在硫酸盐镀液中采用单槽双脉冲控电位电沉积法制备了Co/Cu纳米多层膜。采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分别对多层膜的微观结构和形貌进行了表征。结果表明,Co/Cu多层膜具有良好周期性,多层膜的微结构和表面形貌与表层的金属层紧密相关,也与Co和Cu镀层厚度及其相对厚度、周期数相关。硼酸的加入有利于改善Co/Cu多层膜的层状结构。