CN202994914U - 一种用于薄膜的可变温、磁场可控的动态磁电效应测试装置 - Google Patents

Abstract

一种用于薄膜的可变温、磁场可控的动态磁电效应测试装置，属于动态磁电效应测试装置。静磁场产生装置、亥姆霍兹线圈、功率输出设备、交流信号源、锁相放大器、薄膜温度控制器及放置样品的控温装置，静磁场产生装置在亥姆霍兹螺线管内的静磁场与亥姆霍兹螺线管自身产生的磁场平行；亥姆霍兹线圈与功率输出设备相连，功率输出设备与交流信号源相连，交流信号源与锁相放大器相连，放置样品的控温装置置于亥姆霍兹线圈内，放置样品的控温装置与锁相放大器相连。可对薄膜nV到μV量级的变温、变频小磁电电压信号进行测量。

Description

一种用于薄膜的可变温、磁场可控的动态磁电效应测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种可变温薄膜动态磁电效应测试设备，属于动态磁电效应测试装置。 

背景技术

多铁性磁电薄膜材料可广泛应用于现代信息存储领域，包括多铁性内存、磁电多态存储器和磁读电写硬盘等。表征材料磁电效应的一个重要指标是磁电电压系数，其定义为α_E=dE/dH，其中E是材料的输出电场，H是所施加的外部磁场。1994年，Avellaneda M在论文中报道了用自制的磁电效应测试平台对块体磁电材料磁电效应的测试结果。2004年，Dong S X在他的论文中公开了他们的测试装置，但目前仍缺乏针对薄膜的变温磁电效应的测试方法和测试系统，而且，薄膜磁电电压信号一般是nV或μV量级，相较于块体磁电材料中mV以上量级的电压信号来说，薄膜的磁电电压信号非常微弱，用传统块体材料磁电效应的测试系统无法进行精确测量。 

本实用新型是一种可对薄膜nV到μV量级的变温(293K～393K)、变频（0.03Hz～100MHz）小磁电电压信号进行测量的测量装置，而且也可实现对磁电电压的相位差及磁电耦合效率的测量表征。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对目前磁电薄膜测量手段的不足，提供一种可变温(293K～393K)，并且交流磁场频率可控（0.03Hz～100MHz）的用于薄膜的动态磁电效应测试平台。 

本实用新型的技术方案如下。 

一种用于薄膜的可变温、磁场可控的动态磁电效应测试装置，其特征在于， 

该装置包括静磁场产生装置（提供直流偏置磁场）、亥姆霍兹线圈（提供交流激励磁场）、功率输出设备、交流信号源、锁相放大器、薄膜温度控制器及放置样品的控温装置，静磁场产生装置在亥姆霍兹螺线管内的静磁场与亥姆霍兹螺线管自身产生的磁场平行；亥姆霍兹线圈与功率输出设备相连，功率输出设备与交流信号源相连，交流信号源与锁相放大器相连，放置样品的控温装置置于亥姆霍兹线圈内，放置样品的控温装置与锁相放大器相连； 

放置样品的控温装置包括绝缘塑料制成的一端为圆柱形另一端为半圆柱形的薄膜夹持平台6、夹持平台6的半圆柱形的平面上开有一凹槽，在凹槽的内镶嵌有加热片2，在加热片上放置待测薄膜样品4，待测薄膜样品4上设有银片电极5，银片电极通过引线3与锁相放大器连接；在薄膜夹持平台6上镶嵌有测温热偶7，测温热偶7与待测薄膜样品相贴，测温热偶7由热偶引线8与温度控制器相连；加热片2由加热片引线1与其他控制加热的装置相连实现加热片的加热，该放置样品的控温装置同轴放置在亥姆霍兹线圈内。该放置样品的控温装置在亥姆霍兹线圈内可沿轴转动。 

静磁场产生装置产生一个固定的外部静磁场H_dc；由温度控制器测量并控制样品温度（线路1）；交流信号源一方面将产生的交流信号的频率及相位输入锁相放大器作为基准信号（线路2），另一方面通过功率输出设备产生的交流电信号驱动亥姆霍兹线圈产生可变交流磁场H_ac（其中交流磁场H_ac与静磁场H_dc方向平行），促使薄膜样品输出电压，并被锁相放大器测量大小及与基准信号的相位差（线路3），从而可计算得到磁电电压系数。 

加热片2的可变温为293K～393K，亥姆霍兹线圈交流磁场频率可控制0.03Hz～100MHz。 

静磁场产生装置，由经过标定的U形永磁体以及可调控亥姆霍兹线圈在U形 永磁体外竖直位置移动的装置组成，通过调控亥姆霍兹线圈在U形永磁体外竖直位置上的变化来调节静磁场H_dc大小。 

交流信号源为函数信号发生器，可控制输出交变信号的波形及频率从而改变交流磁场H_ac的频率（0.03Hz～100MHz）。 

锁相放大器，可测量微小量磁电电压信号（精度为1μV），并可以测量磁电电压信号相对于交流信号源基准电信号的相位差。 

待测薄膜样品用粘结剂与加热片固定粘结在一起。 

本实用新型可对薄膜nV到μV量级的变温(293K～393K)、变频（0.03Hz～100MHz）小磁电电压信号进行测量的测量装置，而且也可实现对磁电电压的相位差及磁电耦合效率的测量表征。 

附图说明

图1为本实用新型装置的结构框图； 

图2为放置样品的控温装置示意图； 

图3为实施例1La_2/3Sr_1/3MnO₃/BaTiO₃复合薄膜磁电电压系数随测试温度的变化规律； 

图4为实施例2La_2/3Sr_1/3MnO₃/BaTiO₃复合薄膜磁电电压系数随交流磁场频率的变化图； 

图中1-加热片引线；2-加热片；3-待测样品引线；4-待测薄膜样品；5-样品表面测试银电极；6-可旋转样品基座；7-测温热偶；8-热偶引线。 

具体实施方式

本实用新型装置的结构框图见图1，由静磁场产生装置产生一个固定的外部静磁场H_dc；由温度控制系统测量并控制样品温度（线路1）；交流信号源一方面将产生的交流信号的频率及相位输入锁相放大器作为基准信号（线路2），另 一方面通过功率输出设备产生的交流电信号驱动亥姆霍兹线圈产生可变交流磁场H_ac（其中交流磁场H_ac与静磁场H_dc方向平行），促使薄膜样品输出电压，并被锁相放大器测量大小及与基准信号的相位差（线路3）。 

图2中绝缘塑料制成的圆柱形薄膜夹持平台放在亥姆霍兹线圈内；测试样品下方安放可控温加热片，加热片下方安置连接控温器的热偶；整个夹持平台可在亥姆霍兹线圈内转动；加热片，及热偶信号均由引线引出；待测薄膜磁电信号由银线与银胶粘连至银电极引出。 

静磁场，由经过标定的U形永磁体以及竖直调控装置产生，可以通过亥姆霍兹线圈在调控装置上竖直位置变化调节静磁场H_dc大小。 

函数信号发生器，可控制输出交变信号的波形及频率从而改变交流磁场H_ac的频率（0.03Hz～100MHz）。 

温度控制系统，由加热片，热偶及控温电源组成，可控温度范围为293K～393K。 

引线，共分为3个引线回路，分别为加热片引线、热偶测温引线及磁电电压测试引线。 

锁相放大器，可测量微小量磁电电压信号（精度为1μV），并可以测量磁电电压信号相对于交流信号源基准电信号的相位差。 

实施例1 

1.将La_2/3Sr_1/3MnO₃/BaTiO₃复合薄膜置于夹持平台内，并使用导线夹连接样品银线； 

2.调节夹持平台置于需要的外部静磁场位置； 

3.调节信号发生器输出所需正旋波形及频率（1KHz）； 

4.调节温度控制器至所需温度（293K～393K）中的某一温度； 

5.从锁相放大器中读取磁电电压信号的数值及相位。 

6.所得样品磁电电压系数α_E公式为： 

${\mathrm{\α}}_E=\frac{U}{d\·\mathrm{Hac}}$

式中：U——样品磁电电压，单位mv； 

d——铁电薄膜厚度，单位cm； 

H_ac——交流磁场幅值，单位Oe。 

由于温度变化导致铁磁薄膜La_2/3Sr_1/3MnO₃磁致伸缩系数的变化，从而导致薄膜的形变伸缩量亦变化，最终影响到铁电薄膜通过压电效应产生的磁电电压U变化，从而导致磁电电压系数α_E变化。 

重复过程4至过程6可得样品磁电电压系数在固定频率（1KHz）下随着温度变化的曲线图（见图3）。 

实施例2 

1.将La_2/3Sr_1/3MnO₃/BaTiO₃复合薄膜置于夹持平台内，并使用导线夹连接样品银线； 

2.调节夹持平台置于需要的外部静磁场位置； 

3.调节温度控制器至所需温度（313K）； 

4.调节信号发生器输出所需正旋波形及频率（0.03Hz～100MHz） 

5.从锁相放大器中读取磁电电压信号的数值及相位。 

6.所得样品磁电电压系数α_E公式为： 

${\mathrm{\α}}_E=\frac{U}{d\·\mathrm{Hac}}$

式中：U——样品磁电电压，单位mv； 

d——铁电薄膜厚度，单位cm； 

H_ac——交流磁场幅值，单位Oe。 

由于交流磁场H_ac频率的变化会引起磁电薄膜铁磁层与铁电薄膜之间的耦合，从而改变压电效应产生的磁电电压U的大小，继而改变磁电电压系数α_E。 

重复过程3至过程6可得固定温度下样品磁电电压系数随着交流磁场频率变化的曲线图（见图4）。 

Claims (4)

1.一种用于薄膜的可变温、磁场可控的动态磁电效应测试装置，其特征在于，该装置包括静磁场产生装置、亥姆霍兹线圈、功率输出设备、交流信号源、锁相放大器、薄膜温度控制器及放置样品的控温装置，静磁场产生装置在亥姆霍兹螺线管内的静磁场与亥姆霍兹螺线管自身产生的磁场平行；亥姆霍兹线圈与功率输出设备相连，功率输出设备与交流信号源相连，交流信号源与锁相放大器相连，放置样品的控温装置置于亥姆霍兹线圈内，放置样品的控温装置与锁相放大器相连； 

放置样品的控温装置包括绝缘塑料制成的一端为圆柱形另一端为半圆柱形的薄膜夹持平台（6）、夹持平台（6）的半圆柱形的平面上开有一凹槽，在凹槽的内镶嵌有加热片（2），在加热片上放置待测薄膜样品（4），待测薄膜样品（4）上设有银片电极（5），银片电极通过引线（3）与锁相放大器连接；在薄膜夹持平台（6）上镶嵌有测温热偶（7），测温热偶（7）与待测薄膜样品相贴，测温热偶（7）由热偶引线（8）与温度控制器相连；加热片（2）由加热片引线（1）与其他控制加热的装置相连实现加热片的加热，该放置样品的控温装置同轴放置在亥姆霍兹线圈内。 

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，放置样品的控温装置在亥姆霍兹线圈内可沿轴转动。 

3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，静磁场产生装置，由经过标定的U形永磁体以及可调控亥姆霍兹线圈在U形永磁体外竖直位置移动的装置组成，通过调控亥姆霍兹线圈在U形永磁体外竖直位置上的变化来调节静磁场H_dc大小。 

4.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，待测薄膜样品用粘结剂与加热片固定粘结在一起。 

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