弱夹持磁电薄膜及其多物理场调制机理研究

High-performance magnetoelectric (ME) thin film heterostructure is of great significance to develop miniature magnetic field sensors. With regards to the strong mechanically clamping effect of traditional substrates and low-sensitivity of sensors based on the thin film heterostructure, we will employ new-type 2D flexible mica substrates and multi-field modulation technique to solve the above problems via the mechanical stripping feature of the mica and the resonance gain effect of multi-field modulation, respectively. In this project, we will emphasize the design and fabrication of ME thin film heterostructure based on mica substrates, study the ME coupling model for the multi-field modulation and further to study the dependence of driven modulation field, material parameters and scale effect on the detection sensitivity. The research objectives are including: (1)obtain new-type flexible ME thin film heterostructure with low-clamping effect and high ME performance, (2)clarify the mechanism of multi-field modulation,and (3)identify the influence factors to the detection sensitivity via the multi-field modulation.. In a word, we will solve the key scientific problems for the application of ME thin film heterostructure, and provide the fundamental materials and physics for design and fabrication of multi-array, flexible, wearable miniature magnetic field sensors.

高性能薄膜磁电异质结对开发微型磁场传感器具有非常重要的意义。针对传统薄膜磁电异质结衬底强机械夹持和探测灵敏度不高的问题，分别采用新型“二维”柔性云母衬底和多物理场调制的方法，利用衬底可机械剥离的特性降低其对磁电薄膜的夹持效应，利用多物理场调制谐振态增益特性提高对低频磁场探测的灵敏度。重点开展基于云母衬底的薄膜磁电异质结的设计与制备研究，并研究多物理场调制模式下的磁电耦合模型，进而研究激励物理场、材料物性参数、尺寸效应对探测灵敏度的影响规律。制备出新型弱夹持、高磁电耦合效应的柔性薄膜磁电异质结材料，阐明薄膜磁电异质结多物理场调制的物理机理，并揭示多物理场调制模式下探测灵敏度的影响因素。. 本课题将解决薄膜异质结用于微型磁场传感器的关键科学问题，为小型化、阵列化及柔性可穿戴微纳尺度磁场传感器的设计制备奠定物理和材料基础。

柔性铁电压电、磁电材料是传统刚性功能材料与柔性电子材料学科交叉融合的新材料类别，对学科发展和开辟可穿戴电子产品的应用领域都具有重要的意义。在本项目的支持下，实现了“一步法”制备高质量、大面积柔性钙钛矿铁电压电薄膜和柔性磁电异质结薄膜材料。取得的重要研究结果如下：.(1)柔性PZT压电厚膜及能量收集器件：基于可机械剥离的柔性云母衬底，采用sol-gel工艺制备出柔性PZT压电厚膜和压电能量收集器，获得了国际领先水平的性能：PZT厚度为~2um，开路电压高达120V，短路电流和电流密度分别是0.28μA和150μAcm-2，器件最大功率密度高达42.7mWcm-3，在高强度运行40000个周期后性能为发生明显衰退。.(2)柔性Metglas/PZT/Mica磁电异质结及磁场传感器：设计制备了基于柔性PZT压电厚膜的柔性磁电异质结，其低频磁电系数为20V/cmOe，谐振态磁电系数高达200V/cmOe。低频探测灵敏度为0.2μT, 谐振态探测灵敏度为0.2nT，优于目前报道的柔性磁场传感器性能。.(3)建立磁电耦合模型，揭示薄膜磁电异质结的多物理场调制机理：揭示了磁电异质结的多物理场调制机理，建立了多物理场耦合的物理模型，并且理清了磁电异质结的噪声来源及揭示了环境振动噪声和介电损耗热噪声是磁电传感器低频弱磁探测的主要噪声来源。.(4)PLD制备柔性PZT薄膜的巨大压电响应和柔性铁电存储器件：制备了柔性 PZT薄膜，其面外压电响应强度10倍于采用硬质衬底的普通PZT薄膜，经过百亿次铁电极化翻转之后，其非易失性铁电极化强度仍然大于10μC/cm2，在2.2mm半径下弯曲10000次之后铁电存储器件的性能没有明显衰减。.(5)弛豫铁电单晶的组分设计、性能与结构研究：在[001]取向的NBT-6BT-KNN单晶中，获得了超高压电性能d33~840pC/N，通过XRD和高分辨TEM分析，证明了高压电性能来源于电场诱导的R3c和P4mm相界。发现了弛豫铁电单晶PIN-PMN-PT的奇异相变及畴结构，验证了弛豫铁电体的 “表面效应”。提出了“表面MB-内部R”的异质结构，为弛豫铁电体的“表面效应”提供了全新的试验依据。