一種新型鐵電-鐵磁厚膜及其製備方法
2023-08-08 12:31:56 1
專利名稱：：一種新型鐵電-鐵磁厚膜及其製備方法
技術領域：
：本發明涉及一種新型鐵電-鐵磁厚膜及其製備方法。
背景技術：
：近年來，磁電效應引起了人們的廣泛關注，作為一類非常重要的功能材料，磁電材料廣泛用於磁記錄、濾波器、傳感器、多層片式電感及量子計算機等領域。磁電材料可分為單相磁電材料和複合磁電材料。磁電效應最早是在低溫下反鐵磁性&203單晶中觀測到的，隨後發現其他單晶如BiFe03等也存在磁電效應，但是單相材料的磁電性能很低，且大多只能在低溫下才能被明顯觀測到，這使得單相磁電材料並沒有得到實際技術上的應用。隨後人們把目光轉向了複合磁電材料，將具有鐵電性的材料與鐵磁性的材料進行複合。鐵電材料具有鐵電性、高介電性、壓電性等優異的性能，因而被廣泛用作電容器、鐵電存儲器以及壓電換能器等。這種鐵電-鐵磁複合材料同時具有鐵電相和鐵磁相，對外同時呈現鐵電性和鐵磁性。除了具有單一材料的各種性能外，由於電極化和磁化之間的耦合作用，還會出現許多新的性能如磁電效應，除此之外，目前研究還發現利用他們本徵的鐵電和鐵磁有序耦合的性質，不僅可以確定材料的磁性性質，還在製作"理想"回相器、高密度存儲器、多態記憶單元、電場控制的磁共振裝置、磁場控制的壓電傳感器和電場控制的壓磁傳感器等方面有著廣闊的應用前景和極高的研究價值。目前，磁電複合材料主要有三種結構顆粒複合，層狀複合以及柱狀複合。複合的鐵電，鐵磁材料主要有BaTiQ.;，Pb(Zr,Ti)O"CoFeA，NiFeA等。鐵電-鐵磁薄膜複合材料與塊狀複合材料相比有許多獨特的優點1.鐵電相與鐵磁相的複合和連接可以在微小的範圍內調節，實現兩相在納米尺度上的耦合。2.薄膜異質結構磁電耦合係數較高。薄膜複合材料的製備方法主要包括脈衝雷射沉積法，溶膠-凝膠法，射頻濺射法，化學溶液沉積法。厚膜材料與薄膜材料相比，具有更低的表面應力，這樣材料的磁、電特性和抗老化能力得到保證。因此，製備具有一定厚度的鐵電-鐵磁厚膜材料目前已成為重要的研究工作。在厚膜的製備工藝中，電泳沉積以其成膜設備簡單、成膜面積大、器件形狀不受限制等優勢而為人們所廣泛採用。到目前為止，尚未有採用電泳沉積方法製備鐵電-鐵磁複合厚膜的報導。
發明內容本發明的目的是提供一種簡單可行的電泳複合沉積的合成方法，及採用該方法製得的具有良好的磁電性能的鐵電-鐵磁厚膜。為實現上述目的，本發明通過以下技術方案實現一種鐵電-鐵磁厚膜的製備方法，按照摩爾百分比為10X90X的BaTiO3粉體和90X10%的CoFeA粉體複合沉積後經高溫熱處理製得。所選擇鈦酸鋇和鐵酸鈷粉體的粒徑分布保持近似，(x)BaTi03-(l-x)CoFeA中x值的範圍為0.90.1，電泳沉積的電極材料可選擇貴金屬電極鉑金，也可選擇鍍有耐高溫電極的氧化鋁基片，電泳沉積後所得厚膜熱處理溫度範圍為1000。C1100。C。上述鐵電-鐵磁厚膜的製備方法，具體包括以下步驟A、先將鈦酸鋇粉體、鐵酸鈷粉體按摩爾比為(19):(91)稱量後，在正丁醇溶液中攪拌並超聲分散，製成濃度均勻的懸浮液；B、將電極放置在懸浮液中，保持兩極板平行；C、在恆電場條件下，電泳沉積若干分鐘，獲得具有一定厚度的厚膜；D、將電泳完畢後所得厚膜進行等靜壓處理；E、將經過等靜壓處理的厚膜在高溫環境下熱處理若干小時。較佳的，尖晶石結構的鐵酸鈷由於電阻較低，大比例的鐵酸鈷含量會增加厚膜的損耗，因此，步驟A中，鈦酸鋇粉體、鐵酸鈷粉體按摩爾比優選(58):(52)。本發明中所採用的化學原料為鈦酸鋇粉體、鐵酸鈷納米粉體，且兩者粒徑分布近似，溶劑為正丁醇。電泳沉積的時間可根據所需要的厚度來控制。厚膜厚度與電泳沉積時間約成正比關係。本發明實施例最終所得鐵電-鐵磁厚膜的厚度約為io微米。本發明中，恆電場條件是指恆電壓或恆電流條件。較佳的恆電場電流保持在5yA-20iiA。本發明中，等靜壓工藝是將製品放置到密閉的容器中，向製品施加各向同等的壓力，在高壓的作用下，製品得以成型及緻密化。較佳的，等靜壓的壓強範圍為150-200MPa。本發明中，熱處理時間以0.5-l小時為宜。本發明還提供了釆用上述製備方法製得的鐵電-鐵磁厚膜。本發明中所述的電泳沉積方法是利用電泳動現象，在外加電場作用下，膠體粒子或顆粒在分散介質中作定向移動，達到電極基材後發生聚沉而形成較密集的微團結構的過程。本發明的鐵電-鐵磁厚膜製備方法設備簡單，成本低、成膜快、組分易於調整，可大規模製備膜材料。製得的鐵電-鐵磁厚膜，具有良好的電性能和磁性能，可以應用於製備厚膜傳感器、位移器。圖1是實施例1複合沉積製備的鐵電-鐵磁厚膜(x)BaTi03-(l-x)CoFe204(x=0.80)的X射線衍射圖譜(XRD)。圖2是實施例1複合沉積製備的鐵電-鐵磁厚膜(x)BaTi0:,-(l-x)CoFe204(x=0.80)的極化強度與外加電場的關係圖。圖3是實施例1複合沉積製備的鐵電-鐵磁厚膜(x)BaTi03-(l-x)CoFe204(F0.80)的磁化強度與外加磁場的關係圖。圖4是實施例2複合沉積製備的鐵電-鐵磁厚膜(x)BaTi03-(l-x)CoFeA(F0.50)的X射線衍射圖譜(XRD)。圖5是實施例2複合沉積製備的鐵電-鐵磁厚膜(x)BaTi(V(l-x)CoFe204(x=0.50)的極化強度與外加電場的關係圖。圖6是實施例2複合沉積製備的鐵電-鐵磁厚膜(x)BaTi03-(l-X)COFe204(X=0.50)的磁化強度與外加磁場的關係圖。具體實施例方式實施例1在鍍銀氧化鋁基底上電泳複合沉積鐵電-鐵磁厚膜(x)BaTiO廠(l-x)CoFe204(x=0.80):A、所採用的化學原料為鈦酸鋇、鐵酸鈷納米粉體，溶劑為正丁醇，先分別稱取鈦酸鋇、鐵酸鈷納米粉體0.24g、0.06g，再將粉體在60mL正丁醇溶液中攪拌10分鐘，再超聲分散20分鐘形成混合均勻的懸浮液，懸浮液濃度為5g/L。B、將所使用的恆流/恆壓電源調至恆流狀態，並保持5uA的恆定輸出值。C、將電泳沉積使用的鉑金電極固定在電泳槽中，兩極板間距為2cm，在電泳過程中始終保持兩極板平行。D、將兩電極接通電源，保持40分鐘後獲得具有一定厚度的厚膜。E、將電泳沉積獲得的厚膜從電泳溶液中取出，待膜自然陰乾後等靜壓200MPa處理5分鐘。F、將等靜壓處理後的厚膜在1100°C環境下熱處理0.5小時。電性能測試採用直流濺射方法在上表面製作Au圓形電極，厚度約為100nm。製得的鐵電-鐵磁厚膜的X射線衍射分析圖譜如圖1所示，X射線衍射分析圖譜顯示厚膜呈現BT0的鈣鈦礦相結構和CF0的尖晶石相結構，沒有中間產物的生成；沉積製備的鐵電-鐵磁厚膜(x)BaTi03-(l-x)CoFe204(p0.80)的極化強度與外加電場，磁化強度與外加磁場的關係圖如圖2、圖3所示。從圖中可以看出，所製備的鐵電-鐵磁厚膜在室溫環境下飽和極化強度約為5.0172nC/cm2，剩餘磁化強度約為11emu/cm'1。實施例2其與實施例1的不同之處在於，電泳複合沉積的鐵電-鐵磁厚膜為(X)BaTi03-(l-X)CoFe204(X=0.50),製備方法與實施例1相同，調整鈦酸鋇、鐵酸鈷納米粉體質量分別為O.15g、0.15g。最終製得(x)BaTi(V(l-x)COFe204(X=0.50)鐵電-鐵磁厚膜。電性能測試採用直流濺射方法在上表面製作Au圓形電極，厚度約為IOOnm。製得的鐵電-磁電厚膜的X射線衍射分析圖譜如圖4所示，X射線衍射分析圖譜顯示厚膜呈現BTO的鈣鈦礦相結構和CFO的尖晶石相結構，沒有中間產物的生成；沉積製備的鐵電-鐵磁厚膜(x)BaTi03-(l-x)CoFeA(F0.50)的極化強度與外加電場，磁化強度與外加磁場的關係圖如圖5、圖6所示。從圖中可以看出，所製備的鐵電-鐵磁厚膜在室溫環境下飽和極化強度約為3.4976yC/cm2，剩餘磁化強度約為36.2emu/cm3。實施例3_5與實施例1的不同之處如下表所列:tableseeoriginaldocumentpage6權利要求1.一種鐵電-鐵磁厚膜的製備方法，為將BaTiO3粉體和CoFe2O4粉體以摩爾比(1～9)∶(9～1)複合沉積後，再經高溫熱處理製得鐵電-鐵磁厚膜。2.如權利要求1所述鐵電-鐵磁厚膜的製備方法，其特徵在於，製得的鐵電-鐵磁厚膜分子式為(x)BaTiO廠(l-x)CoFeA，其中x值的範圍為0.90.1。3.如權利要求l或2所述鐵電-鐵磁厚膜的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟A、先將BaTi03粉體、CoFeA粉體按摩爾比為(19):(9一1)稱量後，在正丁醇溶液中攪拌並超聲分散，製成濃度均勻的懸浮液；B、將電極放置在懸浮液中；C、在恆電場條件下電泳沉積獲得厚膜；D、將電泳完畢後所得厚膜進行等靜壓處理；E、將經過等靜壓處理的厚膜在高溫環境下熱處理，製得鐵電-鐵磁厚膜。4.如權利要求3所述鐵電-鐵磁厚膜的製備方法，其特徵在於，步驟A中，BaTi03粉體和CoFeA粉體的摩爾比為(58):(52)。5.如權利要求3所述鐵電-鐵磁厚膜的製備方法，其特徵在於，步驟B中，兩電極板保持平行。6.如權利要求3所述鐵電-鐵磁厚膜的製備方法，其特徵在於，所述BaTi03粉體和CoFe204粉體均為納米粉體。7.如權利要求3所述鐵電-鐵磁厚膜的製備方法，其特徵在於，所述電極的材料為貴金屬電極鉑金或鍍有耐高溫電極的氧化鋁基片。8.如權利要求3所述鐵電-鐵磁厚膜的製備方法，其特徵在於，所述熱處理溫度範圍為1000°C1100°C。9.一種鐵電-鐵磁厚膜，由權利要求l一8中任一權利要求所述的製備方法製得。全文摘要本發明涉及鐵電-鐵磁厚膜，公開了一種新型鐵電-鐵磁厚膜及其製備方法，為將BaTiO3粉體和CoFe2O4粉體以摩爾比(1～9)∶(9～1)複合沉積後，再經高溫熱處理製得。本發明製得的鐵電-鐵磁厚膜，具有良好的電性能和磁性能，可以應用於製備厚膜傳感器、位移器。文檔編號C04B35/26GK101306948SQ20081003968公開日2008年11月19日申請日期2008年6月26日優先權日2008年6月26日發明者翟繼衛申請人:同濟大學