磁相取向的钛酸钡/镍锌铁氧体纳米晶复相薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复相薄膜及其制备方法，尤其涉及一种仅铁磁相取向生长的钛酸钡/镍锌铁氧体纳米晶复相薄膜材料及制备方法，属于多铁薄膜材料技术领域。
【背景技术】
[0002]现代社会中，随着数字化和信息化在人们工作生活各个领域中的渗透，电磁器件的发展和创新已经成为当前最急需的高新技术之一。然而，传统单一功能的大尺寸电磁材料已经不能适应人们对于电磁器件便携性、多功能性的要求。此外，随着社会经济的快速发展以及技术水平的提高，传统的单一材料已经较难满足目前对多性能所提出的越来越高的要求。因此，以一种相对简便的方法制备出一种小尺寸且性能优异的材料具有重要意义。
[0003]多铁材料是一种多功能敏感材料，而多铁性复相材料是目前解决单相多铁材料匮乏和对多重敏感性能要求不断提高问题的重要材料之一。然而，根据复合定律，就铁电/铁磁多铁复合材料而言，铁电相含的非磁特性在复合体系中由于使铁磁相减少而会使磁性下降；同理，铁磁相存在会使铁电、介电性能因铁电相的减少而下降。而已知的渗流效应为解决复相材料中的性能下降的问题提供了一种解决思路。根据渗流理论，在一个由绝缘介电相和导电相组成的复合体系中，当导电相含量达到某一程度，即渗流阈值时，导电颗粒开始相互接触而形成一条导电通道。如果将绝缘相看成一个电容器的电介质材料，导电相看成电容器两端的电极，该复相材料就是由许多微电容串联组成的体系。当导电通道将要形成之前，电容器的厚度达到极小值，此时测试所得电容值就非常大，计算得出复合材料的表观介电常数也会出现很大的值。也就是说，对于铁电铁磁复相，由于铁磁相的电导率相对铁电相要高得多，因而多铁复合体系也会出现渗流效应从而在渗流阈值附件获得较大的介电常数。
[0004]但是，如上所述，在渗流阈值时，导电相通道形成，复相材料的电导率也会因为短路而出现突增，因而引起漏电流并最终导致材料的介电损耗大幅增加，从而影响其整体的介电性能。因此，降低材料的漏电导成为能否有效利用渗流效应的一个关键。很多情况下晶相的电导来自体内缺陷结构间电荷的跃迀，而在晶界上这种跃迀机制容易被破坏从而使其电阻提高，所以相对于晶相体内而言，晶界的存在起到了阻止电荷流动的阻挡层作用，有利于降低体系的漏电流。另一方面减少导电较好的铁磁相之间的接触，也即尽量将铁磁相利用较绝缘的铁电相隔离，也有利于降低体系的漏电流。而纳米晶的晶界含量明显要大于大尺寸晶粒的晶界含量，所以，纳米晶薄膜的形成将是降低多铁复相材料的介电损耗的重要手段之一。
[0005]此外，在铁电铁磁复相体系中，非磁相的存在会使铁磁相颗粒被隔离，磁性颗粒之间的磁通讯被阻断，从而产生等效退磁场并极大地抑制了材料的磁导率。也就是说，对于传统的多铁复相材料来说，为了获得更低的介电损耗要求导电性好的铁磁相相互间不接触，而为了获得高的介电常数好具有类似的要求。显然电、磁性能要求之间产生了矛盾。即当多铁复相材料的介电常数在其渗流阈值附近到达很大值并尽量降低介电损耗时，其磁导率会因为受到退磁场的抑制而处于较低的水平。显然，如果能够解决使复相材料的磁渗流阈值能出现在其电渗流阈值之前，即在磁相被非磁相隔离时仍然能够使磁性颗粒间实现良好的磁通讯，或者说真正使磁通讯被隔断(磁渗流阈值点)是出现在相应比电渗流阈值需要更多的非磁相的体系中的话，那么当优异的介电性能在电渗流阈值点(较多的铁磁相含量)附近出现时，磁导率已不受退磁场的影响，从而保持较高的磁性能存在。事实上，磁信号之间的通讯是通过感应磁场来进行的。这样的通讯方式可以跨越一定的非磁区域。根据之前的文献报道，这一非磁区域的厚度大约是20nm。也就是说，当磁相之间的非磁相阻挡层厚度小于20nm时，磁相之间的磁通讯仍然可以顺利进行。显然，如果多铁复相材料中的铁电非磁颗粒尺寸小于20nm时，单层铁电颗粒已经无法切断铁磁相之间的磁通讯。这时已到达了磁渗流阈值点，但不处于电渗流阈值点附近，而要达到电渗流阈值点必须在体系中增加更多的非磁导电相，即磁渗流阈值点低于电渗流阈值点，两阈值间具有一定的组成偏差范围。这样既可实现利用电渗流效应获得高介且低损(此时铁磁相的导电通道并没有形成)的目的，同时又可保证磁颗粒之间的有效通讯从而获得高磁性能的目的。因此，将多铁复相材料中的晶相颗粒尺寸控制在20nm以内，除了前述低介电损耗外，更有可能使材料的磁渗流阈值相对电渗流阈值出现在具有更少铁磁相含量的复相体系中，使处于电渗流阈值附近的复相材料不受退磁场的影响，也即保证了在出现高介低损性能的同时具有高的磁性能存在，获得一种性能优异的多性能共存复相多铁薄膜材料体系。
[0006]进一步，复相多铁材料间的有效电磁耦合，通常可通过铁电相的压电(体积变化)特性，通过改变铁电相体积使铁磁相受其作用发生晶格畸变而改变易磁化方向、夹角等来实现磁性能的相应变化。然而，由于铁磁相如果在各个方向上受到外来应力作用是均匀相同的话，则尽管其发生了相应的体积变化，但其易磁化方向、夹角等在这种均匀力场的作用下并不会发生改变。因此，在两相混合的0-0型铁电铁磁复相材料中，控制铁电相的体积变化很难产生有效的铁磁性能变化，即这种复相材料很难产生耦合效应。而实际上，人们只在2-2型多层晶相复合薄膜材料及1-1型线状垂直排列有序复相薄膜中实现了磁电耦合。这是因为在这些复相薄膜中铁电相引起的应力仅施加在铁磁晶相的某一个特定方向上，即应力作用能使磁性材料产生各向异性的畸变，从而引起了铁磁相包括易磁化方向、夹角等的变化，最终产生两相间的耦合作用。但这些薄膜都存在着各自的问题，包括耦合效率低及制备非常困难。例如，对于2-2型薄膜，需要通过层层外延诱导生长，且只在一个方向受应力作用，既工艺复杂且耦合效率低；而对于1-1型薄膜，需要在制膜之前，在基底上进行刻蚀等一系列处理并要对两相进行同时诱导，工艺更为复杂，尽管这种薄膜的应力传递在一维线的四周方向上同时进行，应力传递耦合效率相对较高。相对而言，两相随机生长的0-0型薄膜的制备工艺显然非常简单，不过如上所述，这种均匀混合分布的两相结构，其应力传递是在四周均匀分布存在的，并不能引起铁磁相易磁化方向、夹角等的变化。然而，进一步分析可知，如果能实现铁磁相的取向生长，则相当于在每一个微区上成功实现了薄膜的1-1型两相分布，且由于其应力作用发生在类似于一维晶粒的四周方向，相对耦合效率也较高。尽管这时在这种类一维线的方向上也会受到一定的应力作用，但由于薄膜材料本身很薄，利用基板对薄膜晶相取向形成的诱导传递作用，这种取向的铁氧体相有望在类一维方向上诱导形成。因此，从总体上看，在这种类一维线方向上所受到的应力(受力面积)要比在线的四周所受到的应力(受力面积)小得多，从而使这种取向生长铁氧体晶相能受到有效的各向异性应力作用而产生耦合效应。再则，当这种取向生长铁氧体晶相的晶粒尺寸被控制在纳米尺度时，铁电相产生的应力有望较好地传递给纳米铁氧体的全部晶格，也即所有铁氧体晶格都产生畸变而参与耦合。而并不像较大的铁氧体晶粒那样，主要在接触面部分受到应力作用而使大部分铁氧体内部晶格无法受到应力作用因而无法很好参与耦合作用，从而使耦合作用降低。因此，铁氧体取向生长的纳米晶复合薄膜有望成为一种磁电耦合性能良好的多铁性复相薄膜。
[0007]总之，成功制备一种铁氧体取向生长，特别是(100)取向的铁电相/铁磁相复合纳米晶多铁性薄膜对高介、高磁、低损耗和高磁电耦合性能材料的应用将起到非常重要的作用。
[0008]然而，如何高效制备一种符合要求的铁氧体取向生长的铁电相、铁磁相两相复合薄膜将是这种薄膜在电子材料领域得到广泛应用所需要解决的又一关键问题。