磁相取向的鈦酸鋇/鎳鋅鐵氧體納米晶復(fù)相薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)相薄膜及其制備方法，尤其涉及一種僅鐵磁相取向生長(zhǎng)的鈦酸鋇/鎳鋅鐵氧體納米晶復(fù)相薄膜材料及制備方法，屬于多鐵薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代社會(huì)中，隨著數(shù)字化和信息化在人們工作生活各個(gè)領(lǐng)域中的滲透，電磁器件的發(fā)展和創(chuàng)新已經(jīng)成為當(dāng)前最急需的高新技術(shù)之一。然而，傳統(tǒng)單一功能的大尺寸電磁材料已經(jīng)不能適應(yīng)人們對(duì)于電磁器件便攜性、多功能性的要求。此外，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及技術(shù)水平的提高，傳統(tǒng)的單一材料已經(jīng)較難滿足目前對(duì)多性能所提出的越來(lái)越高的要求。因此，以一種相對(duì)簡(jiǎn)便的方法制備出一種小尺寸且性能優(yōu)異的材料具有重要意義。
[0003]多鐵材料是一種多功能敏感材料，而多鐵性復(fù)相材料是目前解決單相多鐵材料匱乏和對(duì)多重敏感性能要求不斷提高問(wèn)題的重要材料之一。然而，根據(jù)復(fù)合定律，就鐵電/鐵磁多鐵復(fù)合材料而言，鐵電相含的非磁特性在復(fù)合體系中由于使鐵磁相減少而會(huì)使磁性下降；同理，鐵磁相存在會(huì)使鐵電、介電性能因鐵電相的減少而下降。而已知的滲流效應(yīng)為解決復(fù)相材料中的性能下降的問(wèn)題提供了一種解決思路。根據(jù)滲流理論，在一個(gè)由絕緣介電相和導(dǎo)電相組成的復(fù)合體系中，當(dāng)導(dǎo)電相含量達(dá)到某一程度，即滲流閾值時(shí)，導(dǎo)電顆粒開(kāi)始相互接觸而形成一條導(dǎo)電通道。如果將絕緣相看成一個(gè)電容器的電介質(zhì)材料，導(dǎo)電相看成電容器兩端的電極，該復(fù)相材料就是由許多微電容串聯(lián)組成的體系。當(dāng)導(dǎo)電通道將要形成之前，電容器的厚度達(dá)到極小值，此時(shí)測(cè)試所得電容值就非常大，計(jì)算得出復(fù)合材料的表觀介電常數(shù)也會(huì)出現(xiàn)很大的值。也就是說(shuō)，對(duì)于鐵電鐵磁復(fù)相，由于鐵磁相的電導(dǎo)率相對(duì)鐵電相要高得多，因而多鐵復(fù)合體系也會(huì)出現(xiàn)滲流效應(yīng)從而在滲流閾值附件獲得較大的介電常數(shù)。
[0004]但是，如上所述，在滲流閾值時(shí)，導(dǎo)電相通道形成，復(fù)相材料的電導(dǎo)率也會(huì)因?yàn)槎搪范霈F(xiàn)突增，因而引起漏電流并最終導(dǎo)致材料的介電損耗大幅增加，從而影響其整體的介電性能。因此，降低材料的漏電導(dǎo)成為能否有效利用滲流效應(yīng)的一個(gè)關(guān)鍵。很多情況下晶相的電導(dǎo)來(lái)自體內(nèi)缺陷結(jié)構(gòu)間電荷的躍迀，而在晶界上這種躍迀機(jī)制容易被破壞從而使其電阻提高，所以相對(duì)于晶相體內(nèi)而言，晶界的存在起到了阻止電荷流動(dòng)的阻擋層作用，有利于降低體系的漏電流。另一方面減少導(dǎo)電較好的鐵磁相之間的接觸，也即盡量將鐵磁相利用較絕緣的鐵電相隔離，也有利于降低體系的漏電流。而納米晶的晶界含量明顯要大于大尺寸晶粒的晶界含量，所以，納米晶薄膜的形成將是降低多鐵復(fù)相材料的介電損耗的重要手段之一。
[0005]此外，在鐵電鐵磁復(fù)相體系中，非磁相的存在會(huì)使鐵磁相顆粒被隔離，磁性顆粒之間的磁通訊被阻斷，從而產(chǎn)生等效退磁場(chǎng)并極大地抑制了材料的磁導(dǎo)率。也就是說(shuō)，對(duì)于傳統(tǒng)的多鐵復(fù)相材料來(lái)說(shuō)，為了獲得更低的介電損耗要求導(dǎo)電性好的鐵磁相相互間不接觸，而為了獲得高的介電常數(shù)好具有類似的要求。顯然電、磁性能要求之間產(chǎn)生了矛盾。即當(dāng)多鐵復(fù)相材料的介電常數(shù)在其滲流閾值附近到達(dá)很大值并盡量降低介電損耗時(shí)，其磁導(dǎo)率會(huì)因?yàn)槭艿酵舜艌?chǎng)的抑制而處于較低的水平。顯然，如果能夠解決使復(fù)相材料的磁滲流閾值能出現(xiàn)在其電滲流閾值之前，即在磁相被非磁相隔離時(shí)仍然能夠使磁性顆粒間實(shí)現(xiàn)良好的磁通訊，或者說(shuō)真正使磁通訊被隔斷(磁滲流閾值點(diǎn))是出現(xiàn)在相應(yīng)比電滲流閾值需要更多的非磁相的體系中的話，那么當(dāng)優(yōu)異的介電性能在電滲流閾值點(diǎn)(較多的鐵磁相含量)附近出現(xiàn)時(shí)，磁導(dǎo)率已不受退磁場(chǎng)的影響，從而保持較高的磁性能存在。事實(shí)上，磁信號(hào)之間的通訊是通過(guò)感應(yīng)磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行的。這樣的通訊方式可以跨越一定的非磁區(qū)域。根據(jù)之前的文獻(xiàn)報(bào)道，這一非磁區(qū)域的厚度大約是20nm。也就是說(shuō)，當(dāng)磁相之間的非磁相阻擋層厚度小于20nm時(shí)，磁相之間的磁通訊仍然可以順利進(jìn)行。顯然，如果多鐵復(fù)相材料中的鐵電非磁顆粒尺寸小于20nm時(shí)，單層鐵電顆粒已經(jīng)無(wú)法切斷鐵磁相之間的磁通訊。這時(shí)已到達(dá)了磁滲流閾值點(diǎn)，但不處于電滲流閾值點(diǎn)附近，而要達(dá)到電滲流閾值點(diǎn)必須在體系中增加更多的非磁導(dǎo)電相，即磁滲流閾值點(diǎn)低于電滲流閾值點(diǎn)，兩閾值間具有一定的組成偏差范圍。這樣既可實(shí)現(xiàn)利用電滲流效應(yīng)獲得高介且低損(此時(shí)鐵磁相的導(dǎo)電通道并沒(méi)有形成)的目的，同時(shí)又可保證磁顆粒之間的有效通訊從而獲得高磁性能的目的。因此，將多鐵復(fù)相材料中的晶相顆粒尺寸控制在20nm以內(nèi)，除了前述低介電損耗外，更有可能使材料的磁滲流閾值相對(duì)電滲流閾值出現(xiàn)在具有更少鐵磁相含量的復(fù)相體系中，使處于電滲流閾值附近的復(fù)相材料不受退磁場(chǎng)的影響，也即保證了在出現(xiàn)高介低損性能的同時(shí)具有高的磁性能存在，獲得一種性能優(yōu)異的多性能共存復(fù)相多鐵薄膜材料體系。
[0006]進(jìn)一步，復(fù)相多鐵材料間的有效電磁耦合，通?？赏ㄟ^(guò)鐵電相的壓電(體積變化)特性，通過(guò)改變鐵電相體積使鐵磁相受其作用發(fā)生晶格畸變而改變易磁化方向、夾角等來(lái)實(shí)現(xiàn)磁性能的相應(yīng)變化。然而，由于鐵磁相如果在各個(gè)方向上受到外來(lái)應(yīng)力作用是均勻相同的話，則盡管其發(fā)生了相應(yīng)的體積變化，但其易磁化方向、夾角等在這種均勻力場(chǎng)的作用下并不會(huì)發(fā)生改變。因此，在兩相混合的0-0型鐵電鐵磁復(fù)相材料中，控制鐵電相的體積變化很難產(chǎn)生有效的鐵磁性能變化，即這種復(fù)相材料很難產(chǎn)生耦合效應(yīng)。而實(shí)際上，人們只在2-2型多層晶相復(fù)合薄膜材料及1-1型線狀垂直排列有序復(fù)相薄膜中實(shí)現(xiàn)了磁電耦合。這是因?yàn)樵谶@些復(fù)相薄膜中鐵電相引起的應(yīng)力僅施加在鐵磁晶相的某一個(gè)特定方向上，即應(yīng)力作用能使磁性材料產(chǎn)生各向異性的畸變，從而引起了鐵磁相包括易磁化方向、夾角等的變化，最終產(chǎn)生兩相間的耦合作用。但這些薄膜都存在著各自的問(wèn)題，包括耦合效率低及制備非常困難。例如，對(duì)于2-2型薄膜，需要通過(guò)層層外延誘導(dǎo)生長(zhǎng)，且只在一個(gè)方向受應(yīng)力作用，既工藝復(fù)雜且耦合效率低；而對(duì)于1-1型薄膜，需要在制膜之前，在基底上進(jìn)行刻蝕等一系列處理并要對(duì)兩相進(jìn)行同時(shí)誘導(dǎo)，工藝更為復(fù)雜，盡管這種薄膜的應(yīng)力傳遞在一維線的四周方向上同時(shí)進(jìn)行，應(yīng)力傳遞耦合效率相對(duì)較高。相對(duì)而言，兩相隨機(jī)生長(zhǎng)的0-0型薄膜的制備工藝顯然非常簡(jiǎn)單，不過(guò)如上所述，這種均勻混合分布的兩相結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力傳遞是在四周均勻分布存在的，并不能引起鐵磁相易磁化方向、夾角等的變化。然而，進(jìn)一步分析可知，如果能實(shí)現(xiàn)鐵磁相的取向生長(zhǎng)，則相當(dāng)于在每一個(gè)微區(qū)上成功實(shí)現(xiàn)了薄膜的1-1型兩相分布，且由于其應(yīng)力作用發(fā)生在類似于一維晶粒的四周方向，相對(duì)耦合效率也較高。盡管這時(shí)在這種類一維線的方向上也會(huì)受到一定的應(yīng)力作用，但由于薄膜材料本身很薄，利用基板對(duì)薄膜晶相取向形成的誘導(dǎo)傳遞作用，這種取向的鐵氧體相有望在類一維方向上誘導(dǎo)形成。因此，從總體上看，在這種類一維線方向上所受到的應(yīng)力(受力面積)要比在線的四周所受到的應(yīng)力(受力面積)小得多，從而使這種取向生長(zhǎng)鐵氧體晶相能受到有效的各向異性應(yīng)力作用而產(chǎn)生耦合效應(yīng)。再則，當(dāng)這種取向生長(zhǎng)鐵氧體晶相的晶粒尺寸被控制在納米尺度時(shí)，鐵電相產(chǎn)生的應(yīng)力有望較好地傳遞給納米鐵氧體的全部晶格，也即所有鐵氧體晶格都產(chǎn)生畸變而參與耦合。而并不像較大的鐵氧體晶粒那樣，主要在接觸面部分受到應(yīng)力作用而使大部分鐵氧體內(nèi)部晶格無(wú)法受到應(yīng)力作用因而無(wú)法很好參與耦合作用，從而使耦合作用降低。因此，鐵氧體取向生長(zhǎng)的納米晶復(fù)合薄膜有望成為一種磁電耦合性能良好的多鐵性復(fù)相薄膜。
[0007]總之，成功制備一種鐵氧體取向生長(zhǎng)，特別是(100)取向的鐵電相/鐵磁相復(fù)合納米晶多鐵性薄膜對(duì)高介、高磁、低損耗和高磁電耦合性能材料的應(yīng)用將起到非常重要的作用。
[0008]然而，如何高效制備一種符合要求的鐵氧體取向生長(zhǎng)的鐵電相、鐵磁相兩相復(fù)合薄膜將是這種薄膜在電子材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用所需要解決的又一關(guān)鍵問(wèn)題。