基于NiMn基铁磁形状记忆合金薄膜的电控磁效应研究

The electrical-controlled magnetization effect in ferroelectric/ferromagnetic heterostructures has attracted much attention due to their potential applications in the fields of information storage, intelligent sensing and magnetic detection. NiMn-based ferromagnetic shape memory alloys with advantages of rich magnetic properties and sensitivity to stress are ideal materials to study this effect based on strain coupling mechanism. However, because of the mismatch of lattice between NiMn-based ferromagnetic shape memory alloys and ferroelectric single crystal substrate, it is difficult to grow high quality alloy thin films, which greatly limits the applications in magnetoelectric devices. In this project, we will deposit NiMn-based ferromagnetic shape memory alloy thin films on single crystal MgO substrates having similar lattice as NiMn-based ferromagnetic shape memory alloys, and then adhere them as a whole to the ferroelectric substrate. Through this method, the composite magnetoelectric heterostructure is obtained skillfully, and the electrical control of magnetic properties, magnetocaloric and exchange bias effect will are studied in the heterostructure. Meanwhile, analyses on the physical mechanism and general rules will be conducted to provide a research basis for the development of multi-functional and low-energy-consuming magnetoelectric devices based on the magnetic phase transition films.

铁电/铁磁异质结构中的电控磁效应因在信息存储、智能传感和磁探测等领域具有重要的应用前景而备受关注。Ni-Mn基铁磁形状记忆合金具有丰富的磁性能且对应力敏感，是基于应变调控的电控磁效应研究中的理想材料。但由于该类合金与铁电单晶衬底存在着晶格失配问题，给生长相变剧烈的高质量薄膜带来了困难，极大地限制了这类复相磁电异质结构在磁电子器件中的应用。本项目中，我们将在与其晶格匹配的MgO单晶薄片(微米量级)上生长NiMn基铁磁形状记忆合金薄膜，然后将其粘接在铁电衬底上。通过这一方法，巧妙地获得基于该类薄膜的磁电异质结构并开展电场对合金薄膜的磁性、磁制冷以及交换偏置等磁效应的调控研究。探索其中的物理机制和调控规律，为发展基于磁相变薄膜的多功能低能耗磁电子器件提供研究基础。

基于磁热效应的磁制冷技术是一种高效、节能、环保的固态制冷技术，是替代传统气体压缩制冷技术最有潜力的方法之一。NiMn基铁磁马氏体相变合金在相变点附近呈现出较大的磁热效应。然而由于铁磁马氏体相变特性，该类合金的制冷工作温度区域较窄，而且部分合金的相变温度处于非室温区域，严重阻碍了NiMn基磁相变合金在磁制冷技术方面的应用。为了解决这一问题，我们通过改变制备工艺和施加外部刺激的措施来调控相变温度和拓宽制冷温区。本研究将为提高NiMn基磁相变合金的磁热效应和促进磁制冷技术的发展提供研究基础。主要开展了以下研究内容：.（1）NiMn基磁相变合金薄带的制备.我们对多种NiMn基Heusler磁相变合金进行磁性能的研究。通过掺Co元素获得相变温度在室温附近且磁化强度较强的Ni-Co-Mn-In薄带，并进一步探索轮速对样品磁性能的影响。为了提高NiMn基磁相变合金的力学性能，通过引入Ti元素制备Mn-Ni-Co-Ti薄带，改善了薄带的柔韧性且薄带的相变温度处于室温附近。.（2）NiMn基磁相变合金薄带磁热效应的调控.在室温附近获得磁热效应的增强和实现有效磁制冷温度区域的扩展，是高效、清洁制冷技术的迫切需要。我们制备了一种由Mn-Ni-Co-Ti薄带、PVA涂层、PET柔性衬底组成的Mn-Ni-Co-Ti/PVA/PET柔性复合结构。通过对衬底施加机械应变，Mn-Ni-Co-Ti薄带表现出可调控的马氏体相变，并在室温附近获得显著增强的磁热效应。随着机械应变的改变，Mn-Ni-Co-Ti/PVA/PET柔性复合结构的马氏体相变温度发生明显变化，磁化强度差∆M得到有效的双向控制。其中，在ε = 6.0%的拉伸应变状态下，磁熵变和制冷能力得到提高，并拓宽了有效的磁制冷温度区域。.（3）NiMn基磁相变合金薄膜的制备及磁性能调控.为了适应电子系统向高集成化、高性能、轻薄化、智能化、微型化方向的发展，磁性薄膜材料得到广泛的研究与应用。我们制备出在孔隙率、晶粒细化、纯度等方面均得到改善的NiMn基磁相变合金靶材并研究不同制备参数对Ni-Co-Mn-In薄膜磁性能的影响。随着溅射功率的增加，Ni-Co-Mn-In薄膜的晶粒尺寸、粗糙度、磁化强度均逐渐增加，形成不规则的岛状颗粒膜，展现出显著的相变特征。更重要的是，在不同温度下Ni-Co-Mn-In薄膜具有明显的交换偏置效应。