多重物理场对柔性铁磁/铁电复合薄膜磁性的调控研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hyhlj
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在柔性电子学发展的大背景下,磁敏功能材料的柔性化是必然的发展趋势。作为柔性电子学的一个新的分支,柔性多铁性复合材料在磁传感器、能量回收等领域的应用已经崭露头角,探索和解决多铁性复合材料的柔性化制备技术及柔性使役条件下多重物理场对磁性的调控是推进柔性多铁性复合材料发展的关键。本论文选择柔性的铁电聚合物PVDF作为衬底,在其上制备一系列正、负磁致伸缩薄膜,利用铁电PVDF的柔韧性、逆压电效应和大的各向异性热膨胀特性研究力、电、热、磁等多重物理场对磁性、磁矩取向的调控,重点解决多重物理场对磁矩取向的有效调控问题,取得了如下的结果:  (1)应变和电场对柔性铁磁/铁电薄膜磁性的调控。制备了初始应变不同的系列柔性FeGa/PVDF铁磁/铁电复合薄膜,随着应变的增加,易轴和难轴的剩磁比差距增加,单轴磁各向异性增强;当应变小于0.06%时(即实际应用时,柔性体系的弯曲半径需大于2.5 cm),施加267 kV/cm的电场能够实现易轴的重取向。这部分结果对于柔性自旋电子器件应用时选择合适的弯曲自由度具有指导意义。  (2)温度对磁致伸缩/PVDF的磁各向异性的调控(获得正磁各向异性温度系数)。通常的磁性材料拥有负的磁各向异性温度系数,对磁性器件的热稳定性不利。在柔性PVDF衬底上制备了磁致伸缩的FeGa、CoFeB及Ni薄膜,当温度升高时,升温产生的单轴应变增加了磁性薄膜在高温时的磁各向异性,获得了正的磁各向异性温度系数;通过铁磁共振FMR测试,定量的表征了磁各向异性场随温度的变化,得到CoFeB/PVDF体系中的正磁各向异性温度系数的大小为1.1×102 J m-3K-1。这部分结果对于提高磁电子器件的热稳定性具有很大的启发意义。  (3)磁场、电场、温度场耦合实现磁矩的多态、面外到面内及翻转的调控。在柔性FeGa/PVDF体系中,通过在面内施加正、负磁场控制FeGa的剩余磁化状态,配合施加电场能够实现FeGa薄膜磁矩的多态调控,当磁场垂直于磁性薄膜时,施加电场能够实现磁矩从面外取向到平面内取向的调控;此外,通过温度循环改变FeGa/PVDF的磁各向异性,用很小的磁场(小于矫顽力)就能实现磁化的翻转,阐明了其在热辅助磁记录上的应用价值。  (4)热辅助电控制磁。铁电PVDF的压电系数远小于BaTiO3、PMN-PT等无机铁电材料,这大大降低了其电场调控磁各向异性的能力,通过变温可以大大降低磁致伸缩层的初始磁各向异性,进而用较小的电场实现易磁化轴的重取向,热辅助电控制磁使得柔性自旋电子器件获得更大的弯曲自由度成为可能。  (5)基于磁致伸缩/PVDF的能量回收概念器件和传感器原型器件。在多场调控磁化方向的基础上,将磁致伸缩/PVDF作为线圈的磁芯,阐述了其用于热能回收的概念器件;制备了基于磁致伸缩/PVDF的电感结构温度传感器,当偏置磁场为17 Oe时,温度从15度改变到50度时,由于变温导致磁各向异性变化,进而导致磁导率和阻抗改变,阻抗变化率达到近25%,在高精度人体温度监控领域有潜在的应用价值,可以应用到可穿戴器件中。
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