论文摘要
层状磁电复合材料是由铁电材料与磁致伸缩材料组成,连接方式为2-2且可产生磁电效应的一类重要功能材料。根据其铁电层厚度不同一般可被分为两种构型:一种是厚膜层状复合材料,该构型的实现是将事先制备好的片状磁致伸缩材料与铁电材料用粘接剂交替粘接在一起,磁致伸缩片与铁电片的厚度在20μm左右。其特点是制备结构与方法简单,且磁致伸缩组分与铁电组分可以任意搭配,但是其界面耦合不够理想在一定程度上制约了磁电效应;另外一种构型是将铁电薄膜外延生长在磁致伸缩基底上,铁电薄膜的厚度在100nm左右。此构型的特点是界面耦合的效率很高,且适应目前对器件要求小型化和低功耗的趋势,但是此构型制备的难度较大,且能满足成功制备条件的组分组合很有限。两种构型均能实现巨磁电效应,在电流测量器,磁探测器及灵敏传感器等器件上有着广泛而重要的用途。另外,两种构型又有自己的优点与尚待改善的不足之处,故是磁电复合材料领域研究的重点。本文主要考虑了一些具体因素对上述两种构型磁电效应的影响。对第一种构型,我们以朗道-金兹堡-德文希尔热力学理论和本构方程为基础,结合适当的边界条件,分别考虑了PZT层中存在的固有二维各向同性应力和外加直流偏置电场对横向与纵向磁电电压系数的影响。计算结果显示:压应力的减小将有利于磁电耦合能力的增强,这与实验结果是定性一致的,将应力范围拓宽到张应力的区域,我们发现张应力的增大也将增强磁电耦合能力。对实验上用来增强压电效应的外加直流偏置电场而言,我们从另一个角度发现电场的施加会削弱磁电效应,这为实验值低于理论值提供了一个可能的原因。由于第一种构型的铁电片足够厚,故我们在分析二维各向同性应力对其磁电效应的影响时,可以认为应力是独立于铁电膜极化态的常量。而对于将铁电薄膜外延生长在磁致伸缩层状单晶基底的这样一个多铁性异质结构而言,应变才是常量。鉴于此,我们建立了一个针对第二种构型的理论模型。通过考虑两相界面的有效弹性耦合,我们结合修正的本构方程和朗道-金兹堡-德文希尔热力学理论研究了此构型的磁电效应,确切地说,是研究了磁场引起多铁膜的电极化。其中,我们具体考虑了剩余应变、自发极化与磁致伸缩作用的影响。计算结果显示:由于弹性耦合相互作用的效率较高,这种构型的磁电复合材料将产生大的磁电效应,且磁电效应的峰值将出现在铁磁相变温度。与多层膜的实验数据相比较,我们发现磁致伸缩相基底与外延铁电相薄膜之间的界面耦合比较理想。计算结果较好地符合了实验结果和格林函数理论分析。