CoFe2O4/Pb(Zr,Ti)O3复合材料的磁电各向异性研究

基于磁电效应的磁电传感器，具有灵敏度和分辨力高、响应频率范围宽、室温工作、被动探测、功耗小以及制备工艺简单等特点，在地磁场、生物磁场等pTesla级微弱磁场的测量领域表现出非常好的应用前景。然而，一些可能对未来应用产生影响的基础问题，例如磁电各向异性的大小和主要来源，与铁电/铁磁特性参数、材料异质结构及制备工艺之间的关系，有效的调控方式及其对磁电耦合的影响等，都是亟待解决的问题。本课题拟采用加压放电等离子体烧结技术制备高致密度、无杂相和微裂纹的0-3型、1-3型CoFe2O4/Pb(Zr, Ti)O3磁电复合材料，研究复合材料微观结构与磁电性能的关系、形状各向异性和应变各向异性在磁电各向异性中的作用，以及不同工作模式对磁电各向异性的影响，以便更好地理解磁电各向异性甚至铁电-铁磁界面耦合的物理机制，促进磁电传感器的设计、制备及广泛应用。

基于磁电效应的磁电传感器，具有灵敏度高、响应频率宽、室温工作、功耗小及工艺简单等特点，在pTesla级微弱磁场测量领域表现出非常好的应用前景。磁电敏感单元具有高度各向异性是磁电传感器走向实用化的关键之一，然而目前有关磁电各向异性的研究还很缺乏，对其进行深入探讨，有助于促进高各向异性磁电传感器的设计、制备及广泛应用。.本项目以0-3型CoFe2O4/PZT磁电复合陶瓷和2-2型AlN/FeCoSiB磁电复合薄膜为对象，研究应变和形状各向异性对磁电各向异性的影响，探索显著提高磁电各向异性的有效方法，研究成果包括几个方面：.1.0-3型CoFe2O4/PZT磁电复合材料的制备和性能研究：采用共沉淀等方法制备了CFO纳米颗粒，并实现尺寸从15 nm到1 μm范围内的有效调控。此外，使用SPS技术制备了CFO/PZT复合陶瓷，并对其性能进行了系统研究，发现当CFO质量分数为10%时，复合材料具有最佳磁电性能。.2.0-3型CoFe2O4/PZT磁电复合材料的应变各向异性研究：一般认为，0-3型复合结构的磁电各向异性在三种磁电复合结构中最弱，然而我们采用SPS方法制备的0-3型CFO/PZT复合材料，具有相对较大的磁电各向异性，这可能主要来源于复合材料制备过程中施加的单轴压应力。.3.AlN/FeCoSiB磁电复合材料形状各向异性的模拟研究：对固定厚度的不同长宽比FeCoSiB薄膜条状样品，进行了长度和宽度方向上磁化状态及磁致伸缩的仿真。沿长度和宽度方向施加同样大小的磁场时，随长宽比的增加，长度方向磁感应强度逐渐增大，而宽度方向磁感应强度逐渐减小，这表明通过改变磁致伸缩相的形状各向异性来提高磁电各向异性是可行的。.4.AlN/FeCoSiB磁电复合材料的制备和性能研究：采用磁控溅射方法，在Si/SiO2/Mo基底上制备了性能优良的AlN和FeCoSiB薄膜。在偏置磁场为10Oe、频率为1 kHz下，磁电电压系数达到101V/cm•Oe，交变磁场分辨率达到1.6 nT/Hz1/2。.5.AlN/FeCoSiB磁电复合材料的形状各向异性研究：采用微电子工艺制备出形状各向异性的AlN/FeCoSiB复合薄膜，随形状各向异性度的增加，复合薄膜的磁电各向异性显著增大。如果将FeCoSiB薄膜线宽降低到1μm，磁电各向异性系数可提高到80962，接近满足高精度微弱磁场测量的要求。