BiFeO3/CoFe2O4复合薄膜磁光电及其耦合性能研究

作     者：曾志欣 

作者单位：重庆科技学院 

学位级别：硕士

导师姓名：邓小玲;马荣耀

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：多铁性复合薄膜 溶胶-凝胶法 磁性能 光伏性能 电性能 磁电耦合效应 

摘      要：石油不仅是一种极其重要的战略资源,还与人们的日常生活密不可分。而石油勘探与开采通常在野外或荒漠,这就导致其作业设备取电难的问题。具有磁电耦合效应的多铁性材料能够将环境中微弱能量（如机械振动、生物运动、电磁波等）收集转换为可以利用的电能,将有望解决这一问题。多铁材料有单相多铁材料和复合多铁材料,相较于单相多铁材料,复合多铁材料由于更易实现室温下的强磁电耦合效应而备受关注。随着电子信息技术的发展,器件的小型化、轻量化及集成化对材料的要求越来越高,二维的薄膜材料已成为研究的一大热点。通过改变复合多铁性薄膜铁电相和磁性相界面间应力大小,有望实现其磁电耦合效应的突破。因此,本论文选取具有较强光致伸缩效应且铁电性能较优的铁酸铋（Bi Fe O,BFO）作为铁电层,具有良好磁致伸缩效应的铁酸钴（Co FeO,CFO）作为磁性层以构筑磁电复合薄膜,研究了复合薄膜中铁电相与磁性相的退火工艺、组成、膜厚等对其结构和性能的影响。（1）BFO/CFO薄膜退火工艺研究由于BFO薄膜中Bi元素的挥发以及薄膜中氧空位等引起的缺陷将影响到薄膜的结构及性能。本论文研究了快速退火与慢速退火制度对薄膜结构和性能的影响,同时通过改变退火气氛来调控薄膜中的氧空位浓度。结果表明,快速退火制度下,由于升温速度过快,薄膜内部残余应力较多,虽然可以使薄膜快速晶化,但薄膜晶粒不能充分生长,致密性较差,导致其性能较差。而慢速退火制度中,升温速度较慢,薄膜晶粒可以在形核后继续长大,晶化程度较高,结构致密,表现出较好的磁光电性能。同时发现,在外加光场的作用下,可以增强BFO/CFO薄膜的磁电耦合效应。此外,通过改变薄膜退火气氛能够有效的降低薄膜内部氧空位的生成,提高薄膜的致密度,使其磁光电及其耦合性能得到有效提升。（2）BFO/CFO薄膜磁光电及耦合性能的组成调控研究通过改变BFO层与CFO层的沉积层数比,制备系列不同组成BFO/CFO薄膜。研究不同组成对BFO/CFO薄膜的磁光电及耦合性能调控规律。结果表明,随着复合薄膜中BFO组成的增加,BFO层与层之间也出现了界面;薄膜的介电常数随BFO含量的增大而逐渐减小;复合薄膜的光电转换效率随BFO含量的增加而先增大后减小,在组成为4BFO/6CFO时复合薄膜的光电转换效率最大;而随着CFO含量的增加,薄膜的剩余磁化强度与饱和磁化强度均逐渐增大;当薄膜组成为4BFO/6CFO与3BFO/7CFO时,复合薄膜的漏电流增大导致其铁电性能变差。复合薄膜的磁介电响应及在光场作用下的磁介电响应随BFO含量的增加呈先增大后减小的趋势,当组成为5BFO/5CFO时,复合薄膜的磁介电系数及光照作用下的磁介电系数最大,分别为2.21与3.88。进一步研究了薄膜铁电性能随外场作用的变化,发现在组成为5BFO/5CFO时,在光照作用下薄膜磁电耦合系数得到大幅提升,达到115%。（3）BFO/CFO薄膜磁光电及耦合性能的膜厚调控研究薄膜的厚度是影响薄膜结构与性能的主要因素之一。在对BFO/CFO薄膜组成调控时我们发现,相较于BFO层,CFO层表现出更好的致密性。所以在本章研究了不同CFO层层膜厚对复合薄膜微结构及其性能的影响。结果表明,当CFO层膜厚达到380 nm以上时,出现了FeO杂相;介电常数与最大光电转换效率随CFO层膜厚的增加先增大后减小;随着CFO层厚度的增大,薄膜的剩余极化强度有一定的提升,但当CFO层厚度为420 nm以上时,薄膜的电滞回线受漏电流影响出现“低头现象;当CFO层厚度为340 nm时,复合薄膜的磁介电系数最大,为2.23;当CFO层厚度为380 nm时,复合薄膜在光照作用下的磁介电系数提升最大,为2.01。同时,进一步研究了薄膜铁电性能随外场作用的变化,发现在CFO厚度为340 nm时,薄膜在光照作用下其磁电耦合系数提升最大,达到110%。