Ga_(2-x)Fe_(x)O_(3) 单相多铁性及室温磁电耦合效应的研究进展

在单相多铁材料中,利用电场代替磁场来可逆控制磁性这一手段是实现下一代高密度、低功耗磁电多功能器件的理想方法。然而,目前所发现的单相多铁材料大多数都表现出了弱的室温铁电性、铁磁性或者低于室温的磁电工作温度,这严重限制了其在实际生产中的应用。近年来的研究发现,具有强磁电(ME)耦合的第Ⅱ类室温单相多铁Ga_(2-x)Fe_(x)O_(3),其剩余铁电极化强度(Pr)和饱和磁化强度(Ms)在最优的条件下分别可以达到25μC/cm^(2)和1.2μB/f.u.,因而是一种极有可能同时解决上述问题的新型替代材料。首先介绍了单相多铁材料的研究现状以及潜在的应用;然后总结了Ga_(2-x)Fe_(x)O_(3)材料单相多铁性和ME耦合效应的研究历程;最后,围绕Ga_(2-x)Fe_(x)O_(3)未来面临的关键科学问题和挑战进行了详细讨论。

基于磁电耦合作用下雾化效率影响参数研究

针对高压静电雾化的作用原理,以提升静电雾化的雾化效率为最终目标,加入了磁场,以磁电耦合的方式来达到提高雾化效率的目的。以磁场加电场为主要研究对象,以喷针在磁场与电场中的液滴变化形态以及粒径密度为参考,通过有限元软件对磁场与电场进行数值模拟,观察液滴在微观状态下的运动模式,进行电场与磁场的调整。自行设计和构建了实验装置,通过对不同参数状态下的液滴进行分析,以净化实验腔室内CO的浓度作为评判指标,从而验证磁电耦合作用及改进后机械装置的可行性,实验表明,磁电耦合装置的设计增加了静电雾化的整体雾化效率,在同等条件下,其净化CO浓度降低了11%,雾化颗粒的分布密度也提高了5%左右。

BiFeO_(3)⁃NiFe_(2)O_(4)复合多铁薄膜的微观结构及磁电耦合研究

结合透射电子显微镜和多模式原子力显微镜技术,本文探索研究了生长在Nb:SrTiO_(3)上的BiFeO_(3)⁃NiFe_(2)O_(4)复合薄膜的微观结构和磁电耦合性能。衍衬分析和选区电子衍射表明BiFeO_(3)和NiFe_(2)O_(4)在沉积过程中发生相分离并自组装外延生长形成纳米复合结构。进一步利用像差校正透射电子显微镜揭示了BiFeO_(3)与NiFe_(2)O_(4)两相间的界面和相分离细节;BiFeO_(3)基体中存在大量的层状缺陷和氧空位片,造成局部晶格膨胀和复杂的极化分布。多模式原子力显微镜测量证明了复合薄膜具有良好的铁电翻转和保持性能,以及较低的漏电流和明显的磁电耦合。本工作呈现了一种自组装复合多铁材料的制备与表征,期望为未来微电子器件设计提供借鉴和指导。

MEMS磁电耦合矢量水声传感器研制

本文提出了一种基于磁电耦合原理和MEMS加工工艺的矢量水声传感器。该矢量水声传感器的MEMS敏感检测单元包括磁电耦合材料、八悬臂梁-中心质量块MEMS元件和永磁铁。采用电荷放大信号处理电路处理敏感检测单元产生的信号。通过对磁电耦合材料、MEMS元件和信号处理电路进行设计,使矢量水声传感器在工作时具有很高的灵敏度。通过声学灌封完成矢量水声传感器的制备,并对矢量水声传感器的性能进行了测试,测试结果表明:该矢量水声传感器的接收灵敏度在1 000 Hz时达到-180 dB(0 dB re 1 V/μPa)。

基于磁电耦合的高频变压器监测设备自供电技术研究

高频变压器稳定运行的关键在于稳定供电的监测设备对其运行状态的实时监测,而监测设备的长时间稳定供电则是监测稳定性的保障。本文首先对目前高频变压器监测设备常用自供电技术进行分析,之后提到磁电耦合效应具有将高频磁场能量转换为电场能量的能力,且输出效率和转换效率均优于其他常用自供电技术。因此本文基于磁电耦合效应提出一种新型自供电技术,构建了以磁电换能器和蓄电池为基础的供电系统,根据磁电换能器等效电路以及其他系统组成电路搭建系统仿真电路,并在此仿真电路的基础上进行该系统在环境扰动情况下电压输出稳定性实验,仿真结果显示当高频变压器电流变化时,系统输出电压在0.003s之内恢复给定输出电压值,证明该系统具有稳定电压输出的快速性和可靠性。

磁电耦合下喷嘴雾化特性及降尘效率研究

为了探究磁电耦合作用下喷雾的降尘效果,对雾滴施加不同磁场强度与荷电电压进行交叉试验,测得未磁化未荷电、仅磁化作用、仅荷电作用及磁电耦合作用4种工况条件下的雾滴表面张力最小值,构建基于K H液滴破碎模型及湍流κε模型的雾滴粒子场模型,利用COMSOL软件对以上4种工况条件下的雾滴粒子运动轨迹进行数值模拟,得到各工况条件下雾滴粒子的速度分布及粒径分布情况。结果表明:磁电耦合作用下的喷雾具有最佳雾滴粒子场,有99.5%的雾滴粒子粒径小于45μm,其中超过92%的雾滴粒子粒径小于10μm;通过雾化降尘试验对以上4种工况条件下的降尘效率进行测定,得到磁电耦合作用下喷雾对全尘的降尘效率为97.84%,对呼尘的降尘效率为95.82%。

柔性多铁复合薄膜磁电耦合效应研究进展

随着现代信息技术的不断发展,集电、磁于一身的多铁复合薄膜材料因其独特的物理特性已在换能器、传感器、存储器等领域应用广泛。然而,尽管多铁复合薄膜克服了陶瓷因高温烧结造成磁电耦合系数较小的缺点,但多铁复合薄膜中的铁电相也存在韧性差、脆性大,从而限制其在柔性器件中的应用。通过将铁磁相与具有柔性的铁电相复合而成的柔性多铁复合薄膜理论上可获得强的磁电耦合性能,同时因其具有优异的柔韧性和延展性,有望应用于便携式可穿戴设备、医疗设备、磁电传感器设备等领域。但是,柔性多铁复合薄膜的磁电耦合效应与磁电相的性能、组成、两相的接触面积以及两相间的复合形式等因素有关,其中,复合形式是影响耦合系数的关键因素。因此,综述了国内外复合形式影响柔性多铁复合薄膜磁电耦合效应的研究进展,并提出了一些亟待解决的问题。

0-3型纳米复合材料P(VDF-TrFE)_(x)FOM_(1-x)磁电耦合效应

柔性电子元件的发展日新月异,其中有机薄膜因具有延展性、柔韧性、易制备等优点,使其在智能可穿戴柔性器件领域有着巨大的应用潜力.采用溶胶-凝胶法,利用有机聚合物P(VDF-TrFE)共聚物和有机磁性材料二茂铁间苯甲酰腙(FOM)在柔性聚酰亚胺(PI)衬底上成功制备了0-3型纳米复合薄膜.结构表征表明,FOM纳米颗粒均匀地分布在P(VDF-TrFE)基质中.纳米复合材料的晶体和微观结构取决于P(VDF-TrFE)和FOM的物质的量比,铁电和磁电响应受到FOM纳米粒子浓度的强烈影响.纳米复合薄膜的磁电耦合系数最高为15.1 mV/(cm·Oe).

Ni/P(VDF-TrFE)的铁电性及磁电耦合效应

采用溶胶凝胶法和旋涂法在磁性金属镍片衬底上制备了有机铁电薄膜P(VDFTrFE),利用X射线衍射仪及振动样品磁强计表征了Ni/P(VDFTrFE)样品的晶体结构和金属镍片的磁学性质,结果表明,旋涂制备所得有机P(VDFTrFE)薄膜结晶形成了β相,镍片的饱和磁场约为2000(kAm^(-1)/4π).利用静电计和锁相放大器,研究了样品的电学性质和不同磁场方向的磁电耦合效应.可以发现,金属镍片作为磁性衬底制备得到的Ni/P(VDFTrFE)属于复合多铁性材料,该材料的磁电耦合效应具有各向异性,表现为平行方向大于垂直方向.实验所得结果为复合多铁性材料的制备和测试提供了重要的参考价值.

磁电多铁性复合材料磁电耦合性能有限元分析

磁电多铁性复合材料由于具有磁电耦合的特性,在存储器、传感器等领域具有广泛的应用前景,近年来成为该领域研究的前沿问题。本文采用有限元方法对叠层块状磁电多铁性复合材料的磁电耦合效应进行计算分析,研究了边界条件、尺寸、粘接层的厚度以及材料性能对磁电耦合效应的影响,以期为磁电多铁性复合材料器件设计提供理论依据。研究表明,上下外表面z方向固定、长宽比的增大、铁电层所占比例的增大、粘接层厚度的减小及杨氏模量的增加均能提高磁电多铁性复合材料的磁电耦合系数。

Eu,Co共掺杂对BiFeO_3陶瓷的介电性能、磁性能及磁电耦合效性的影响

采用快速液相烧结法制备Bi1-xEuxFe1-yCoO3（x=0、0．01、0．05、0．1；y=0、0．01、0．05、0．1）陶瓷样品，研究Eu、Co共掺杂对BiFeO3介电性能、铁磁性和磁电耦合效应的影响。利用x射线衍射仪对晶体结构进行表征，结果表明：所有样品的主衍射峰与纯相BiFeO3相吻合且具有良好的晶体结构。当co掺杂量大于0．05时，Bi1-xEuxFe1-yCoyO3发生结构相变。当f=1000Hz时，Bi0.99Eu0.01Fe0.99Co0.01O3样品的介电常数是BiFeO3的12倍，而介电损耗最小。磁测量表明：室温下，除了BiFeO3和Bi1-xEuxFe0.99Co0.01O3以外，所有样品具有较强的铁磁特性。在20kOe磁场作用下，Bi1-xEuxFe1-yCoyO3样品呈现饱和的磁滞回线，Bi0.9Eu0.1Fe0.99Co0.1O3样品的剩余磁化强度（Mx=0．984emu／g）是BiFeO3的328倍。在外加磁场（0—0．4kOe）作用下，样品的磁电耦合效应（ME）随着Eu3＋和Co3＋掺杂量的增加而增大，Bi0.95Eu0.05Fe0.95Co0.05O3呈现较强的磁电耦合效应，在4．5kOe磁场的作用下，其ME值已达到4．37％。样品磁性增强的主要是Eu3＋的4f电子与Fe3＋或Co3＋的3d电子自旋相互作用及样品中存在局域的Fe-O—Co磁耦合两者共同作用的结果。

GMM,PZT和弹性基板复合磁电耦合效应研究

将超磁致伸缩材料(GMM)、压电材料(PZT-5H)复合于弹性基板上,利用共振原理构造了一种新型的磁电换能器。当激励磁场的频率等于或者接近于弹性基板的固有频率时,GMM将驱动弹性基板振动并发生共振,粘结于基板上的压电材料的输出电压将达到极大。实验研究表明,该器件的磁电耦合电压曲线呈现多个峰值,在800Oe偏置磁场和1Oe交变磁场激励下,谐振点处的磁电耦合电压系数达到1.552V/Oe。

层状复合材料NiMnGa/PZT的磁电耦合效应研究

选取NiMnGa合金和传统的压电材料PbZr0.52 Ti0.48 O3（PZT陶瓷），制备出2-2型层状复合磁电材料NiMnGa／PZT。在室温下测量了其磁电耦合效应，得到了该材料的磁电耦合系数随频率和偏置磁场的变化曲线。由磁电耦合系数随偏置磁场的变化曲线选择合适的模型，对该结果进行了比较理想的拟合，分析了拟合过程及磁电耦合效应的物理机制。可以为设计样品以提高磁电耦合效应提供参考。

多铁性体系中磁电耦合效应及新材料探索

多铁性材料有两个或两个以上的序参量,通过磁电效应可以实现磁电转换功能,在信息存储、传感器等方面具有广阔的应用前景,引起各国材料科学研究工作者的重视.近年来,磁电效应研究在物性研究和探索新材料方面取得了重大进展.

Ba_(0.85)Ca_(0.15)Zr_(0.1)Ti_(0.9)O_3/CoFe_2O_4叠层复合陶瓷的制备与磁电耦合效应研究

以CoFe2O4压磁体、掺CuO和CeO2助烧剂的压电体Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3为基本叠层材料,采用界面固相熔融渗透法制备了掺助烧剂Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3-CoFe2O4叠层复合陶瓷。叠层复合陶瓷的压电压磁相叠层界面结合良好。随着压磁相与压电相厚度比比率的增加,叠层复合陶瓷的饱和磁致伸缩系数–λ从67×10-6增加到134×10-6、压电系数d33从340 pC/N逐渐减小到205 pC/N;磁电耦合系数先增大后减小,在厚度比为2、外磁场为100 mT时得到最大值3200 mV/(cm.mT)。

缺氧YBCO多晶陶瓷的磁电耦合与磁电阻效应

将高温超导陶瓷YBa2Cu3O6+x经过真空热处理得到氧含量x=0.13的缺氧陶瓷样品,利用HP4294A精密阻抗分析仪测量了样品介电常数温谱图,在温度为410K附近发现了介电异常现象,认为是由反铁磁相变感应铁电相变引起的。铁电测量表明缺氧YBCO多晶陶瓷在室温下有一定的铁电性。在零磁场和外加磁场条件下,采用标准四引线法分别测量了样品电阻率随温度的变化关系,发现温度低于400K时样品的磁电阻MR约为60%且基本不随温度变化,在反铁磁相变温度410K附近出现异常,认为是由于样品大量本征载流子产生并且外加磁场对顺磁区域影响较小所致。缺氧YBCO(x=0.13)陶瓷样品的磁电耦合特性,显示出它可能成为一种新的室温多铁材料从而在传感、控制和信息储存等方面发挥重要作用。

多铁性复合体系室温附近磁电耦合系数增强研究

多铁性材料是近年来凝聚态物理、固体电子学和材料领域研究的热点,其研究成果极为丰富,在多铁性研究方面,已弄清多铁性、铁电性和铁电极化的物理机制;在多铁性复合材料磁电耦合研究方面,提出了铁电相和铁磁相的颗粒复合、铁电相和铁磁相的层状复合、加入聚合物的铁电相和铁磁相的复合、在铁电相镀上铁磁相薄膜或铁磁相镀上铁电相薄膜等多铁性材料的制备方法。从这些研究成果中,可以看出实现多铁性复合体系室温附近磁电耦合系数增强的可能性,认为多铁性材料中磁电耦合的物理机制研究和材料的优化有可能取得突破:一是针对物理问题进行材料设计,二是通过结构和成分的优化。

Terfenol-D和Cymbal迭层器件的磁电耦合效应

报道一种由Terfenol-D(Tb1-xDyxFe2)和Cymbal组成的新型器件.在器件中Cymbal位于两片Terfenol-D之间.在横向极化和横向磁化的模式(T-T)下,其磁电电压系数在0.5kOe的偏置磁场作用下为41.0mV/Oe(1kHz),大于Terfenol-D/PZT/Terfenol-D结构的磁电电压系数.磁电电压系数提高的原因起源于具有高压电系数的Cymbal和高磁致伸缩系数的Terfenol-D之间的耦合.

利用不同沉积温度和衬底控制压电/压磁异质结的磁电耦合系数

以生长在不同电极衬底:MgO,c-sapphire,a-sapphire,Si上的钙钛矿PbTiO3(PTO)/Terfenol-D压电/压磁异质结为例,利用唯象热力学理论研究了热应力对压电/压磁异质结磁电耦合效应的影响.计算结果表明,铁电薄膜内的热应力强烈依赖于薄膜沉积温度与衬底、薄膜之间热膨胀系数的差异,而热应力又显著影响磁电耦合性能.对于热膨胀系数大于薄膜材料的衬底,如MgO,铁电薄膜内的热应力为压应力,导致压电/压磁异质结的磁电电压系数增强;对于热膨胀系数小于薄膜材料衬底,如c-sapphire,a-sapphire,Si,铁电薄膜内热应力为拉应力,导致压电/压磁异质结的磁电电压系数减小.研究提出了通过改变沉积温度以及选择合适衬底来调控压电/压磁异质结磁电耦合效应的新思路,为工程上增强压电/压磁异质结磁电耦合性能提供了新的途径.

镧掺杂铅铁氧体的磁电耦合效应

多铁性材料是指在一定温度范围内同时存在铁磁序和铁电序或铁弹序的体系。近年来,由于铁磁序和铁电序共存耦合而产生的某些新功能,如磁电效应、磁介电效应使多铁性材料蕴含着广阔的应用前景,如具有记忆功能的存储器、磁转换器和电容-电感一体化传感器。这些巨大的潜在应用价值,使多铁性材料逐渐成为人们关注的焦点。