基于磁场驱动电畴的多铁薄膜介磁非线性调控研究

The dielectric constant and polarization of multiferroic materials can change with magnetic field, i.e., it is a dielectric-magnetic nonlinearity. A novel non-contact dielectric-magnetic phase shifter can be made by taking advantage of the feature. Single phase multiferroic materials because of its faster magnetoelectric response are superior to magnetoelectric composite. The intrinsic reason of the dielectric constant and polarization variation of single phase multiferroic materials is an external manifestation of domain structure variation. In order to reveal the intrinsic mechanism of the dielectric-magnetic nonlinearity of single phase multiferroic materials, the law of domain structure varizations with magnetic field needs further investigation. In this project, the effects of grain size and film thickness on domain structure of multiferroic thin films will be investigated and the control method of domain structure will be mastered. And the relation of dielectric-magnetic nonlinearity and domain structure in multiferroic thin films with different domain structure will be studied to master the change law of dielectric-magnetic nonlinearity with domain structure and control method of dielectric-magnetic nonlinearity. On the basic of the above-mentioned studies, the effect of magnetic field on domain structure of multiferroic thin films with strong dielectric-magnetic nonlinearity will be investigated and the change law of domain structure with magnetic field will be found out. The regulation mechanism of dielectric-magnetic nonlinearity in multiferroic thin films will be found out. The foundation of design and fabrication of a novel non-contact dielectric-magnetic phase shifter will be laid.

多铁材料的介电常数和极化强度会随外加磁场变化而改变，即存在介磁非线性，项目组提出利用这一特性可制作新型非接触式介磁移相器。与磁电复合材料相比，单相多铁材料的磁电响应速度更快，因此更具优势。而单相多铁材料介电常数和极化强度变化的实质是其内部电畴结构变化的外在表现，为了弄清单相多铁材料介磁非线性的内在机理，必须深入研究在磁场作用下其电畴结构变化的规律。为此，本项目拟通过对铁酸铋多铁薄膜电畴结构与晶粒尺寸、膜厚关系的研究，掌握多铁薄膜电畴结构的控制方法；研究具有不同电畴结构的铁酸铋多铁薄膜介磁非线性与电畴结构的关系，掌握多铁薄膜介磁非线性随电畴结构变化的规律和介磁非线性的调控方法；在此基础上，开展磁场作用下具有强介磁非线性的铁酸铋多铁薄膜的电畴结构的原位研究，找出其电畴结构随外加磁场变化的规律；弄清多铁薄膜介磁非线性的调控机理，为非接触式介磁移相器这一新型器件的设计和制作奠定理论基础。

多铁材料的磁电耦合效应备受关注，但其介电常数和极化强度随外加磁场变化而改变的机理及调控方法尚不明确。多铁材料介电常数和极化强度变化的实质是其内部电畴结构变化的外在表现，为了弄清多铁材料介磁非线性的内在机理，本项目主要做了如下几个方面的工作：（1）通过研究不同氧氩比和退火温度对铁酸铋多铁薄膜的结构、介电性能、铁电性能、漏电性能的影响，找出了影响铁酸铋多铁薄膜结构和性能的主要因素，掌握了铁酸铋多铁薄膜晶粒尺寸的控制方法。（2）研究了制备工艺参数对铁酸铋多铁薄膜的膜厚、晶体结构、表面形貌、电性能及磁性能的影响，掌握了铁酸铋多铁薄膜的膜厚控制方法。（3）研究了铁酸铋薄膜的晶粒尺寸、膜厚与电畴结构的关系以及铁酸铋薄膜材料的晶体结构、表面形貌、介电性、漏电性和铁电性能之间的关系，找出了铁酸铋薄膜的电畴结构类型，掌握了制备具有不同电畴结构的方法。（4）研究了具有不同电畴结构的铁酸铋薄膜材料的晶粒尺寸、膜厚与电畴结构的关系以及退火温度与退火方式对铁酸铋薄膜的晶体结构、表面形貌、铁电性、介电性、磁性能影响，同时研究了铁酸铋薄膜介电常数、损耗、漏电流、极化强度和矫顽场强与外加磁场的关系，找出了具有不同电畴结构的铁酸铋薄膜介电性能随外加磁场变化的规律，掌握了铁酸铋薄膜介磁非线性的调控方法。（5）通过对锰、镍掺杂铁酸铋薄膜的微结构、表面形貌、介电性能、铁电性能、压电性、磁性能、光学性能及介磁非线性研究，找出了最佳掺杂量，掌握了掺杂铁酸铋薄膜介磁非线性的调控方法。通过本项目研究，为非接触式介磁移相器等新型器件的设计和制作奠定了理论基础。