CN116018050A - 一种基于铜铁氧体的多铁异质结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铜铁氧体的多铁异质结构，包含铁电单晶衬底和该衬底下的金属电极、衬底上外延生长的SrRuO3电极，以及在SrRuO3/铁电单晶外延生长的铜铁氧体薄膜。制备方法，包括以下步骤：步骤1：选取钙钛矿型SrRuO3陶瓷块体，在铁电单晶衬底上沉积一层外延的SrRuO3电极；步骤2：选取尖晶石型铜铁氧体陶瓷块体为靶材，在SrRuO3/铁电单晶衬底上沉积一层外延铜铁氧体薄膜；步骤3：采用磁控溅射法将金属电极溅射在铁电单晶底部。本发明在室温下通过控制纵向施加的直流电场强度，使铁电单晶衬底产生逆压电效应，引入面内拉伸或压缩应变，导致不同区域的磁化方向重新取向以及磁化强度出现变化，从而改变薄膜的磁畴，实现对该多铁复合材料磁性的调控。
Description
技术领域
本发明涉及电子元件材料技术领域，尤其涉及一种基于铜铁氧体的多铁异质结构及其制备方法。
背景技术
随着现代信息时代的快速发展，高存储密度、快速读写和超低功耗的高性能储存器成为信息时代发展的迫切需要，因此成为研究者们关注的热点。信息存储依赖于磁性材料，研究者们发现通过电场调控磁性能够有效降低功耗，在未来低功耗多功能器件等方面具有巨大的潜在应用前景。
在多铁性材料体系中，同时具备铁磁性和铁电性的单相化合物称为单相多铁性材料。目前研究较多的一类单相多铁性材料主要是菱方BiFeO3。但由于天然的单相多铁性材料较为稀少，且磁电耦合效应弱，因此研究者们尝试了引入磁性离子、掺杂稀土元素等多种方法来增强多铁材料的磁电耦合系数。
虽然人们一直在努力提高单相多铁性材料的磁电效应，但是单相磁电材料随着温度升高性能很快下降，使用时容易老化，且制备时成本较高。后来人们又发现合理设计和利用铁磁/铁电多铁异质结构并利用电场调控磁性使铁磁材料发生了奇妙的磁性耦合，为研究磁电耦合注入了新的活力。在众多铁电材料中，研究者们发现新型弛豫铁电单晶(1-x)PbMg1/3Nb2/3O3-xPbTiO3(PMN-PT)等具有良好的压电性能和大的压电系数从而被广泛用于复合多铁异质结构中。
因此本发明从另一角度开展新一类材料的研究，它同时包含铁磁相、铁电相的复合异质结构体系，下层为铁电单晶衬底，上层为铁氧体薄膜，通过外加电场使铁电相的应变性能变化从而对铁磁相得到有效的调控，能够实现对铁磁材料非易失的调控。该材料能够打破对称性和低温对于材料的条件限制而获得室温下大的磁电耦合效应。在微型磁场传感器、电磁调谐微波器件以及新型信息记录存储器等方面有着广阔的应用前景。
发明内容
1.要解决的技术问题
本发明的目的是为了解决现有技术中单相磁电材料随着温度升高性能很快下降，使用时容易老化，且制备时成本较高的问题，而提出的一种基于铜铁氧体的多铁异质结构及其制备方法。
2.技术方案
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于铜铁氧体的多铁异质结构，包含铁电单晶衬底和该衬底下的金属电极、衬底上外延生长的SrRuO3电极，以及在SrRuO3/铁电单晶外延生长的铜铁氧体薄膜。
优选地，所述铁电单晶衬底包含(1-x)PbMg1/3Nb2/3O3-xPbTiO3、(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–xPbTiO3中的任一种。
优选地，所述铁电单晶衬底背面镀有金属电极，所述金属电极包含金、银和铂中的任一种。
优选地，所述沿衬底上外延生长的SrRuO3电极厚度为5-50nm。。
优选地，所述铜铁氧体薄膜为CuFe2O4。
优选地，所述铜铁氧体薄膜厚度为10-300nm。
本发明中还提出了一种基于铜铁氧体的多铁异质结构的制备方法，包括以下步骤
步骤1：选取钙钛矿型SrRuO3陶瓷块体，采用脉冲激光沉积技术，在铁电单晶衬底上沉积一层外延的SrRuO3电极；
步骤2：选取尖晶石型铜铁氧体陶瓷块体为靶材，采用脉冲激光沉积技术，在SrRuO3/铁电单晶衬底上沉积一层外延铜铁氧体薄膜；
步骤3：采用磁控溅射法将金属电极溅射在铁电单晶底部。
优选地，所述脉冲激光沉积的工艺参数包括：使用XeCl准分子激光器，波长λ＝308nm，将SrRuO3薄膜沉积在铁电单晶衬底上，激光能量密度2-4J/cm2，激光脉冲重复频率为1-5Hz，衬底与靶材之间的距离为4-8cm，沉积温度650-800℃，背底真空度小于10-4Pa，氧分压1-20Pa，沉积时间5-20min；之后，在SrRuO3/铁电单晶上生长CuFe2O4薄膜，激光能量密度1-10J/cm2，激光脉冲重复频率为1-10Hz，衬底与靶材之间的距离为3-6cm，沉积温度500-750℃，背底真空度小于10-4Pa，氧分压0.01-60Pa，沉积时间20-90min。
本发明中还提出了一种基于铜铁氧体的多铁异质结构的应用方法，在室温下，通过控制沿厚度方向施加的直流电场强度，诱导面内产生拉伸或压缩应变，该应变通过界面传递到铁磁薄膜中，引起薄膜中不同区域内的磁弹各向异性在空间呈现非均匀分布，导致不同区域的磁化方向重新取向以及磁化强度出现变化，从而使铜铁氧体薄膜的磁学性能得到有效的调控。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本发明中，通过将铜铁氧体薄膜外延集成在这些铁电单晶衬底上，有望在室温下通过控制纵向施加的直流电场强度，使铁电单晶衬底产生逆压电效应，引入面内拉伸或压缩应变，导致不同区域的磁化方向重新取向以及磁化强度出现变化，从而改变薄膜的磁畴，实现对该多铁复合材料磁性的调控。
(2)本发明中，通过精确控制偏置电场的极性和大小，可以调节磁性的变化幅度及其非易失性，这对于金属材料在新型多功能储存器等领域的应用具有指导意义。
附图说明
图1为本发明中对基于铜铁氧体的多铁异质结构外加沿厚度方向的电场结构示意图；
图2为本发明中CuFe2O4/SrRuO3/PMN-PT多铁异质结构XRDθ-2θ扫描图谱(a图)，和CuFe2O4(111)、SrRuO3(111)、PMN-PT(111)衍射峰的XRDφ扫描图谱(b图)；
图3为本发明中在室温下沿(011)方向加入外电场前后铜铁氧体薄膜的磁滞回线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
参照图1，一种基于铜铁氧体的多铁异质结构，包含铁电单晶衬底和该衬底下的金属电极、衬底上外延生长的SrRuO3电极，以及在SrRuO3/铁电单晶外延生长的铜铁氧体薄膜。
本发明中，所述铁电单晶衬底包含(1-x)PbMg1/3Nb2/3O3-xPbTiO3、(1-x)Pb(Zn1/ 3Nb2/3)O3–xPbTiO3中的任一种，所述铁电单晶衬底背面镀有金属电极，所述金属电极包含金、银和铂中的任一种。
本发明中，所述沿衬底上外延生长的SrRuO3电极厚度为5-50nm，所述铜铁氧体薄膜为CuFe2O4，所述铜铁氧体薄膜厚度为10-300nm。
本发明中，通过将铜铁氧体薄膜外延集成在这些铁电单晶衬底上，有望在室温下通过控制纵向施加的直流电场强度，使铁电单晶衬底产生逆压电效应，引入面内拉伸或压缩应变，导致不同区域的磁化方向重新取向以及磁化强度出现变化，从而改变薄膜的磁畴，实现对该多铁复合材料磁性的调控。
本发明中，通过精确控制偏置电场的极性和大小，可以调节磁性的变化幅度及其非易失性，这对于金属材料在新型多功能储存器等领域的应用具有指导意义。
实施例2：
其具有上述实施例的实施内容，其中，对于上述实施例的具体实施方式可参阅上述描述，此处的实施例不作重复详述；而在本申请实施例中，其与上述实施例的区别在于：
一种基于铜铁氧体的多铁异质结构的制备方法，其中铁电单晶衬底取向包含(001)、(011)、(111)中的任一种。包括以下步骤：
步骤1：选取钙钛矿型SrRuO3陶瓷块体，采用脉冲激光沉积技术，在铁电单晶衬底上沉积一层外延的SrRuO3电极；
步骤2：选取尖晶石型铜铁氧体陶瓷块体为靶材，采用脉冲激光沉积技术，在SrRuO3/铁电单晶衬底上沉积一层外延铜铁氧体薄膜；
步骤3：采用磁控溅射法将金属电极溅射在铁电单晶底部。
实施例3：
其具有上述实施例的实施内容，其中，对于上述实施例的具体实施方式可参阅上述描述，此处的实施例不作重复详述；而在本申请实施例中，其与上述实施例的区别在于：
本发明中，基于铜铁氧体的多铁异质结构的应用方法，在室温下，通过控制沿厚度方向施加的直流电场强度，诱导面内产生拉伸或压缩应变，该应变通过界面传递到铁磁薄膜中，引起薄膜中不同区域内的磁弹各向异性在空间呈现非均匀分布，进而导致不同区域的磁化方向重新取向以及磁化强度出现变化，从而使铜铁氧体薄膜的磁学性能得到有效的调控。通过精确控制偏置电场的极性和大小，可以调节磁性的变化幅度及其非易失性。
本发明中，参照图3，当T＝296K时，可以看出随着外电场的加入，CuFe2O4薄膜饱和磁化强度变化了约11.5％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于铜铁氧体的多铁异质结构，其特征在于，包含铁电单晶衬底和该衬底下的金属电极、衬底上外延生长的SrRuO3电极，以及在SrRuO3/铁电单晶外延生长的铜铁氧体薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于铜铁氧体的多铁异质结构，其特征在于，所述铁电单晶衬底包含(1-x)PbMg1/3Nb2/3O3-xPbTiO3、(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–xPbTiO3中的任一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于铜铁氧体的多铁异质结构，其特征在于，所述铁电单晶衬底取向包含(001)、(011)、(111)中的任一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于铜铁氧体的多铁异质结构，其特征在于，所述铁电单晶衬底背面镀有金属电极，所述金属电极包含金、银和铂中的任一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于铜铁氧体的多铁异质结构，其特征在于，所述沿衬底上外延生长的SrRuO3电极厚度为5-50nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于铜铁氧体的多铁异质结构，其特征在于，所述铜铁氧体薄膜为CuFe2O4。
7.根据权利要求1所述的一种基于铜铁氧体的多铁异质结构，其特征在于，所述铜铁氧体薄膜厚度为10-300nm。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种基于铜铁氧体的多铁异质结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选取钙钛矿型SrRuO3陶瓷块体，采用脉冲激光沉积技术，在铁电单晶衬底上沉积一层外延的SrRuO3电极；
步骤2：选取尖晶石型铜铁氧体陶瓷块体为靶材，采用脉冲激光沉积技术，在SrRuO3/铁电单晶衬底上沉积一层外延铜铁氧体薄膜；
步骤3：采用磁控溅射法将金属电极溅射在铁电单晶底部。
9.根据权利要求8所述的一种基于铜铁氧体的多铁异质结构的制备方法，其特征在于，所述脉冲激光沉积的工艺参数包括：使用XeCl准分子激光器，波长λ＝308nm，将SrRuO3薄膜沉积在铁电单晶衬底上，激光能量密度2-4J/cm2，激光脉冲重复频率为1-5Hz，衬底与靶材之间的距离为4-8cm，沉积温度650-800℃，背底真空度小于10-4Pa，氧分压1-20Pa，沉积时间5-20min；之后，在SrRuO3/铁电单晶上生长CuFe2O4薄膜，激光能量密度1-10J/cm2，激光脉冲重复频率为1-10Hz，衬底与靶材之间的距离为3-6cm，沉积温度500-750℃，背底真空度小于10-4Pa，氧分压0.01-60Pa，沉积时间20-90min。
10.根据权利要求1-7任一所述的一种基于铜铁氧体的多铁异质结构的应用方法，其特征在于，在室温下，通过控制沿厚度方向施加的直流电场强度，诱导面内产生拉伸或压缩应变，该应变通过界面传递到铁磁薄膜中，引起薄膜中不同区域内的磁弹各向异性在空间呈现非均匀分布，导致不同区域的磁化方向重新取向以及磁化强度出现变化，从而使铜铁氧体薄膜的磁学性能得到有效的调控。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20230425 |