磁控溅射法制备BiFeO3/CoFe2O4多铁性复合薄膜及其铁电铁磁性研究

2010-04-01 于明泽 暨南大学物理系

　　用磁控溅射法在Pt/TiO2/SiO2/Si 衬底上成功制备了BiFeO3 (BFO)/CoFe2O4（CFO）层状结构磁电复合薄膜，测试结果显示此磁电复合薄膜在室温下同时存在铁电性和铁磁性。在70V 极化电压，室温条件下，剩余极化强度（2Pr）和矫顽电场强度（2Ec）分别为77 μC/cm2 和678 kV/cm；饱和磁化强度（2Ms）和矫顽磁场强度（2Hc）分别为154 emu/cm3 和2.6 kOe。

　　1970 年，Aizu 根据材料的铁电、铁磁、铁弹三种性质有一些相似点，将其归结为一类，提出了铁性材料的概念 。1994 年，Schmid 提出了多铁性材料的概念，即具有两种以上铁性的单相化合物 。但是，铁电性产生的必须因素是氧八面体中心的过渡金属离子的d 电子轨道为空轨道，产生铁磁性的必要条件是过渡族金属离子的d轨道占据半满的电子，然而d 电子的存在抑制了铁电性的产生，因此这两个因素很难同时满足；并且铁电材料通常是一种绝缘体，而铁磁材料通常是导体。这些条件相互制约，使得同时具备铁电性和铁磁性的单相多铁性材料非常稀少。

　　BiFeO3(BFO)是一种具有菱形扭曲的钙钛矿结构的多铁性材料，室温下同时具有两种结构有序，即铁电有序（Tc=1103 K）和G 型反铁磁有序（TN = 643 K），是少数室温下同时具有铁电性和铁磁性的多铁性材料之一。研究结果显示薄膜形态的BFO 比块体材料的BFO 的Pr 值要大一个数量级，新加坡的J.Wang 在单晶SrTiO3 衬底上制备的BFO 薄膜的Pr 值达到50~150 μC/cm2。然而，BFO 的螺旋磁结构使得其在低磁场下仅表现极弱的铁磁性。CoFe2O4 （ CFO）是一种尖晶石型晶体结构的磁性材料，具有磁各向异性高、矫顽场大、电阻率高，化学性能稳定等优点，因此，本实验选用该铁磁相材料，由BFO/CFO 组成复合相结构的多铁性薄膜。

　　磁电效应是指多铁性材料在铁电相和铁磁相的耦合乘积协同作用下，产生的复合效应，具有磁电性的磁电材料可以用于设计磁- 电- 力转换器、磁传感器、移相器、衰减器，及新型存储器等器件[8]。因此，被广泛的关注，成为当今功能材料的研究热点。将铁电、铁磁两相物质交替地沉积在基片上就可以得到2- 2 型叠层结构的磁电复合薄膜。由于这种结构的实用性以及制备工艺易于控制，使得人们对其进行了不断的尝试和探索。2004 年，H.Zheng 等报道了用激光脉冲沉积（PLD）法制备的2- 2 型BaTiO3/CoFe2O4 复合薄膜的磁电效应。注意到磁控溅射法具有速度快、易掌控，成本低等特点，我们选用前述两种铁电和铁磁性能优越的材料（BFO、CFO），以叠层结构的方式，用该方法制备了磁电复合薄膜，并对其铁点、铁磁性能进行了研究。

1、实验

　　实验使用的镀膜设备是中国科学院北京科学仪器研究中心生产的JED- 400 磁控溅射镀膜机。BFO 靶是用分析纯的Bi2O3 和Fe2O3 按摩尔比1：1 配比，在箱式炉中820℃烧结3 h 而成；CFO靶是用分析纯的CoO 和Fe2O3 按摩尔比1：1 配比， 在箱式炉中1200℃ 烧结3 h 制得。

　　BiFeO3/CoFe2O4 复合磁电薄膜的制备分为两步：第一步，在Pt/TiO2/SiO2/Si 衬底上沉积一层150 nm的CFO 膜层，溅射功率为5.3 W/cm2，然后，在空气气氛下800℃退火3 h；第二步，在CFO 膜上再沉积一层800 nm 的BFO 膜层， 溅射功率为4 W/cm2，然后，在空气气氛下650℃快速退火30 min。为了对比实验结果，同时分别制备了单一的BFO 膜和单一的CFO 膜。顶层Pt 点阵电极的制备采用直流溅射法， 以孔径为0.1~0.15 mm 的掩膜片作掩膜， 溅射功率1.5 W/cm2，电极厚度控制在150 nm 左右。实验中薄膜厚度的测量使用美国AMBIOS 公司的XP- 2 型台阶仪。图1 BiFeO3/CoFe2O4 复合磁电薄膜的结构示意图。

BiFeO3/CoFe2O4 复合磁电薄膜的结构示意图

图1 BiFeO3/CoFe2O4 复合磁电薄膜的结构示意图

　　实验中薄膜的晶体结构分析采用德国Bruker 公司的D8 ADVANCE- X 射线衍射仪，薄膜的表面形貌分析采用美国热电公司生产的Autoprobe CP Research 原子力显微镜，铁电测试采用美国Radiant 公司Precision Premier II 铁电测试系统，薄膜的磁性能测试采用美国Lake ShoreCryotronics 公司的Lake Shore 7410 VSM 震动样品磁强计。

3、结论

　　用磁控溅射法在Pt/TiO2/SiO2/Si 衬底上成功制备了BiFeO3 (BFO)/CoFe2O4（CFO）复合磁电薄膜。检测结果表明，除了CFO、BFO 和少量BFO杂项以外，并没有其他化合物存在；复合膜结构在室温下同时存在较好的铁电性和铁磁性，在70 V 极化电压，1 kHz 频率下， 剩余极化强度（2Pr）和矫顽电场强度（2Ec）分别为77 μC/cm2 和678 kV/cm；室温条件下，饱和磁化强度（2Ms）和矫顽磁场强度（2Hc）分别为154 emu/cm3 和2.6 kOe。