硅基钛酸钡/镧锶锰氧复合薄膜的生长调控及磁电耦合特性研究

Recently, interest has been rapidly growing on magnetoelectric materials for potential practical applications in sensors, transducers, electric-write magnetic-read memory, etc. Perovskite-type BTO/LSMO multilayer thin films were focused because of their similar crystal structures, special physical properties and environment friendly. As to be integrated with semiconductor process, the magnetoelectric thin films shoule be deposited on Si substrate. In this study, perovskite-type BTO/LSMO thin films will be grown on Si substrate by chemical solution deposition method. The influence of the growth and post-annealing processes on the structure property will be summarized. Especially the manipulation of magnetoelectric coupling properties by orientation or interfacial strain will be summarized. And furthermore, magnetic dielectric properties and magnetoelectric coupling properties in micro-zone, will be systemically studied.

磁电材料由于其在传感器、换能器、多功能存储器件等方面巨大的应用潜力而备受关注。钙钛矿型镧锶锰氧/钛酸钡复合材料，由于其晶体结构相似、物理特性丰富、且无铅环保成为磁电材料的研究热点。为了实现磁电材料与半导体工艺集成，要求磁电材料能直接沉积在Si衬底上。薄膜是磁电耦合特性与取向生长和界面应力特性密切相关。本项目拟采用化学溶液法，在Si衬底上制备钙钛矿型BTO/LSMO磁电复合薄膜，利用缓冲层等途径调控其取向生长，研究取向、界面应力对其生长特性的影响，揭示薄膜取向生长的物理机制；研究取向、界面应力对薄膜磁电耦合特性的影响，特别是开展微区磁电耦合特性和磁介电特性的研究，阐明其结构特性对薄膜磁电耦合特性影响的物理机制，为设计和制造新型磁电功能器件提供良好的材料基础和知识积累。

磁电材料由于其在传感器、换能器、多功能存储器件等方面巨大的应用潜力而备受关注。本项目的研究从实验和理论的角度围绕磁电薄膜的生长调控和磁电耦合特性展开，获得了掺杂、应力、晶格取向、多层膜界面等对铁磁、铁电及其复合薄膜物理特性的影响规律，并通过上述手段优化了磁电耦合特性特别是磁介电特性，取得了一系列阶段性成果。具体研究成果如下：.1、研究获得了退火温度、退火气氛、衬底应力、取向、薄膜厚度、膜层结构等对La(Ca,Sr)MnO3薄膜生长及物理特性影响规律，实现了铁磁/顺磁相变温度和金属/绝缘体转变温度在240~350K之间的连续调节；采用溶胶凝胶法制备出高质量的外延LCSMO薄膜，在室温下获得较高磁电阻65%（285K，7T）。.2、开展铁电薄膜的生长调控及物性研究。研究了晶粒尺寸及膜层结构对 (Ba,Sr)TiO3/MgO层状复合薄膜介电性能影响；研究表明SrTiO3薄膜中氧空位可通过d0磁性原理使得薄膜具有较强铁磁性；La掺杂BiTi3O12铁电薄膜的极化疲劳特性，剩余极化的波动可归结于在外加电场作用下氧空位的重新分布造成的畴钉扎和电极界面处正电荷层的相互竞争。.3、研究了BTO/LSMO磁电薄膜的磁电耦合特性。在室温附近获得1140%超高磁介电效应（286K，7T，1MHz），研究表明LSMO金属-绝缘体相变处的庞磁阻效应调制着异质结界面极化的动力学特性，证实了BTO/LSMO异质结的磁介电效应来源于界面极化和LSMO 庞磁阻效应的联合效应，建立了铁电薄膜磁介电特性与LSMO的庞磁阻效应的对应关系，为揭示异质结相界面极化机制和磁电耦合效应提供了相关的实验根据。.4、开展了新型单相磁电材料中磁电耦合特性的研究。通过Al掺杂实现螺旋状自旋序的Ba0.5Sr1.5Zn2Fe12O22材料的磁序相变温度调控。结合磁场下的介电谱、阻抗谱和等效电路模型等手段，阐明Aurivillius相Bi5Ti3FeO15体系材料在弛豫峰附近出现明显的磁介电效应及其磁电耦合特性的起源。.截止结题，已发表相关SCI文章17篇，其中在Scientific Reports上发表1篇、Journal of Applied Physics上发表6篇，Ceramics International上发表3篇。项目协助培养博士生3名、硕士生3名。