基于渗流效应的高磁电耦合铁电/铁磁多铁复相薄膜形成及其机理研究

批准号:
51772269
项目类别:
面上项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
杜丕一
依托单位:
学科分类:
E0207.无机非金属半导体与信息功能材料
结题年份:
2021
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
马宁、刘初阳、田薇、徐乾坤、马若阳
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中文摘要
项目针对复相多铁薄膜,考虑铁相间高效磁电耦合通常仅在经特殊的复杂结构设计后能通过两相间产生各向异性应力传递的体系中产生,而不易在传统方法制备的复合体系中获得等难题,提出了在复相薄膜中通过引入渗流效应,利用简单的传统原位沉积工艺制备高耦合特性多铁复合薄膜的新观点。项目以这种新型复合薄膜为目标,基于复相中渗流效应产生以及渗流阈值的方位各向异性控制特点, 利用如磁控溅射等传统薄膜生长技术, 经先控制形成非晶再成核/析晶的两步法过程并利用基板诱导铁磁相取向生长,实现在原位随机生长的两相复合薄膜中形成取向铁磁相纳米串,且原位形成的纳米串沿薄膜法向排列并镶嵌于铁电相基体中,最终形成在两相间具有各向异性应力传递特点的类1-3结构复合多铁薄膜, 以解决目前无法在传统两相复合多铁体系中产生高磁电耦合的难题。初步结果已经获得了与目前报道的最佳性能相当的高磁电耦合性能,研究对复相多铁薄膜的发展和应用具重要意义。
英文摘要
In general, for high efficient magnetoelectric coupling in the ferromagnetic/ferroelectric composite thin film, the special microstructure, such as 1-3 structure which has 1-dimentianal parallel ferromagnetic phase wires assigned in ferroelectric matrix phase along the normal direction of the thin film, must be designed for generating anisotropy distortion of the ferromagnetic phase while stressed by the homogeneous dispersed ferroelectric matrix. The issue of difficult realization of magnetoelectric coupling in traditional composite systems, limit the practical and high quality application of multi-ferroic composite thin films. This project proposed to solve the problems by systematically studying the fundamental issues of multiferroic and the magnetoelectric coupling. In order to achieve highly efficient magnetoelectric coupling in the composite thin film prepared by conventional deposition methods, the anisotropy percolation threshold in different orientations of thin film is introduced to form strings of stacked ferromagnetic nano crystalline phase particles and the single-crystal substrate is adopted to control the growth of magnetic phase in special orientation in the composite thin film. The 1-3 like topological structure can be well controlled to realize with conventional technologies, such as RF sputtering which are widely used for preparation of traditional composite thin film, in which the two step processes of forming amorphous phase initially and then crystalline phase based on nucleation/crystallization mechanism. In this case, the problem that magnetoelectric coupling is hard to realize in the traditionally prepared composite thin film can be solved successfully by generating the anisotropy distortion of the ferromagnetic phase while stressed by the homogeneous dispersed ferroelectric matrix. Hence, high magnetoelectric coupling will be obtained in the multiferroic composite thin film prepared by conventional method. It is obvious that this project will promote the development of the multiferroic composite thin films and be beneficial to new applications of multifunctional electronic devices. Beside, very promising preliminary result which is almost the same as the best one reported by using the special designed 1-3 structure has been obtained to prove the idea concerned.
由一维取向的铁磁相埋入三维铁电相本体中制成的1-3微结构复相多铁薄膜,受到各向异性作用力而产生良好的磁信号响应。然而,如何解决在薄膜中不通过人工植入单晶的或取向的一维阵列等复杂工艺而直接利用简单的原位制备技术制备薄膜是真正能拓展其在新型多功能器件中广泛应用的关键。.本项目分别利用NZFO 和BTO作为铁磁相和铁电相原料在半导体行业最常用的单晶硅基板上制备铁电铁磁复相薄膜材料。.项目成功通过溶胶凝胶法并利用相分离技术,原位生长了均匀分散于薄膜中且被成功控制沿(111)取向生长的单晶微柱状NZFO阵列,得到了(111)取向生长的NZFO相微柱阵列复相薄膜。利用薄膜中NZFO和BTO分别掺杂有Ti和Fe离子的特征,调制使晶相形成过程中与基板的接触角及异相成核势垒变小,并同时将首层膜厚度控制得极薄,使NZFO易沿平面扩展生长的同时,再结合利用立方相的NZFO本身(111)晶面具有相对低表面能的特性,控制NZFO在极薄膜层中以(111)晶面取向生长,从而获得NZFO相为(111)取向生长的首层薄膜。最后经逐层诱导在硅基板上获得原位生长(111)取向NZFO相微柱阵列复相薄膜。在其铁电相BTO居里温度的~398K附近,薄膜的磁化强度变化达到~40%。.项目还基于渗流理论,成功利用在不同维度系统中渗流阈值不同的效应,通过磁控溅射方法,利用传统制备0-3形复合薄膜的方法成功在硅基板上原位制备了类1-3型NZFO-BTO复相薄膜。其中NZFO相被巧妙控制形成了纳米晶粒相互接触且沿法向排列的一维纳米晶串,获得了类1-3结构NZFO-BTO复相薄膜。同时,利用硅基板晶格的外延控制,实现了(100)取向生长。薄膜同样表现出了很强的ME耦合特性,在约400K时,其磁场强度变化依然达10%以上。尽管可能由于其实际为类一维磁相,且为不同于NZFO易磁化轴(111)方向的(100)取向,而未表现出最强的磁化强度变化。.综上,这类NZFO/BTO复相薄膜表现出了很大的ME耦合特性,甚至比已有报道的硅基板上薄膜的性能要高得多,有望在以硅基板为主的半导体行业内作为高效ME耦合多铁薄膜材料在新一代功能器件中得到广泛应用。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1039/c7tc05970a
发表时间:2018-05
期刊:Journal of Materials Chemistry C
影响因子:6.4
作者:Shan Wang;Chen Kaifeng;W. Min;L. Haosheng;Cheng Guorui;Liu Jian;Xu Luhang;Jianshe Yue;Cheng Meng;X. Zheng;Liu Suyu;Chong Yin;Zongrong Wang;P. Du;S. Qu;C. Leung
通讯作者:Shan Wang;Chen Kaifeng;W. Min;L. Haosheng;Cheng Guorui;Liu Jian;Xu Luhang;Jianshe Yue;Cheng Meng;X. Zheng;Liu Suyu;Chong Yin;Zongrong Wang;P. Du;S. Qu;C. Leung
Mechanism of Doping-Induced Orientation of Magnetic Phase in a Sol−Gel-Derived Ni0.5Zn0.5Fe2O4/BaTiO3 Multiferroic Thin Film with High Magnetoelectric Coupling
高磁电耦合溶胶凝胶衍生 Ni0.5Zn0.5Fe2O4/BaTiO3 多铁性薄膜中掺杂诱导磁相取向机制
DOI:10.1021/acs.jpcc.1c05122
发表时间:2021
期刊:The Journal of Physical Chemistry C
影响因子:--
作者:Wei Tian;Guyao Li;Shuang Lv;Ning Ma;Zongrong Wang;Yu Tang;Piyi Du
通讯作者:Piyi Du
Millimeter-wave absorption properties of BaTiO3/Co3O4 composite powders controlled by high-frequency resonances of permittivity and permeability
BaTiO3/Co3O4复合粉末的毫米波吸收特性受介电常数和磁导率高频共振控制
DOI:10.1039/c8tc04776f
发表时间:2018-12
期刊:Journal of Materials Chemistry C
影响因子:6.4
作者:Tian Wei;Ma Ruoyang;Gu Jian;Wang Zongrong;Ma Ning;Du Piyi
通讯作者:Du Piyi
Magnetoelectric coupling tailored by the orientation of the nanocrystals in only one component in percolative multiferroic composites.
通过渗透多铁复合材料中仅一个组件中的纳米晶体的取向来定制磁电耦合
DOI:10.1039/c9ra03291f
发表时间:2019-06-25
期刊:RSC advances
影响因子:3.9
作者:
通讯作者:
Synthesis and controlled morphology of Ni@Ag core shell nanowires with excellent catalytic efficiency and recyclability
具有优异催化效率和可回收性的Ni@Ag核壳纳米线的合成和可控形貌
DOI:10.1088/1361-6528/ab27ce
发表时间:2019
期刊:Nanotechnology
影响因子:3.5
作者:Shan Wang;Shaoyu Niu;Haosheng Li;Ka Kin Lam;Zongrong Wang;Piyi Du;Chi Wah Leung;Shaoxing Qu
通讯作者:Shaoxing Qu
渗流型铁电铁磁复相高性能吸波材料的制备与性能研究
- 批准号:51272230
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:80.0万元
- 批准年份:2012
- 负责人:杜丕一
- 依托单位:
溶胶凝胶法制备两相复合渗流型高性能电介质薄膜及其形成机理研究
- 批准号:51172202
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:60.0万元
- 批准年份:2011
- 负责人:杜丕一
- 依托单位:
溶胶-凝胶法制备渗流型超高性能铁电铁磁复相陶瓷材料研究
- 批准号:50872120
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:35.0万元
- 批准年份:2008
- 负责人:杜丕一
- 依托单位:
常压气相沉积法自诱导形成硅化钛纳米线的研究
- 批准号:50672084
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:30.0万元
- 批准年份:2006
- 负责人:杜丕一
- 依托单位:
溶胶-凝胶法高性能PST薄膜材料制备与性能研究
- 批准号:50372057
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:28.0万元
- 批准年份:2003
- 负责人:杜丕一
- 依托单位:
钛矿相堆垛微结构铁电多层薄膜的制备及性能研究
- 批准号:50072023
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:22.0万元
- 批准年份:2000
- 负责人:杜丕一
- 依托单位:
原位复合制备改性α-Si:H/c-Si高性能光电薄膜的研究
- 批准号:69776004
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:12.5万元
- 批准年份:1997
- 负责人:杜丕一
- 依托单位:
国内基金
海外基金
