用磁控濺射法在Pt/TiO₂/SiO₂/Si 襯底上成功制備了BiFeO₃ (BFO)/CoFe₂O₄（CFO）層狀結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合薄膜，測(cè)試結(jié)果顯示此磁電復(fù)合薄膜在室溫下同時(shí)存在鐵電性和鐵磁性。在70V 極化電壓，室溫條件下，剩余極化強(qiáng)度（2Pr）和矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度（2Ec）分別為77 μC/cm² 和678 kV/cm；飽和磁化強(qiáng)度（2Ms）和矯頑磁場(chǎng)強(qiáng)度（2Hc）分別為154 emu/cm³ 和2.6 kOe。

　　1970 年，Aizu 根據(jù)材料的鐵電、鐵磁、鐵彈三種性質(zhì)有一些相似點(diǎn)，將其歸結(jié)為一類，提出了鐵性材料的概念 。1994 年，Schmid 提出了多鐵性材料的概念，即具有兩種以上鐵性的單相化合物 。但是，鐵電性產(chǎn)生的必須因素是氧八面體中心的過(guò)渡金屬離子的d 電子軌道為空軌道，產(chǎn)生鐵磁性的必要條件是過(guò)渡族金屬離子的d軌道占據(jù)半滿的電子，然而d 電子的存在抑制了鐵電性的產(chǎn)生，因此這兩個(gè)因素很難同時(shí)滿足；并且鐵電材料通常是一種絕緣體，而鐵磁材料通常是導(dǎo)體。這些條件相互制約，使得同時(shí)具備鐵電性和鐵磁性的單相多鐵性材料非常稀少。

　　BiFeO3(BFO)是一種具有菱形扭曲的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的多鐵性材料，室溫下同時(shí)具有兩種結(jié)構(gòu)有序，即鐵電有序（Tc=1103 K）和G 型反鐵磁有序（TN = 643 K），是少數(shù)室溫下同時(shí)具有鐵電性和鐵磁性的多鐵性材料之一。研究結(jié)果顯示薄膜形態(tài)的BFO 比塊體材料的BFO 的Pr 值要大一個(gè)數(shù)量級(jí)，新加坡的J.Wang 在單晶SrTiO₃ 襯底上制備的BFO 薄膜的Pr 值達(dá)到50~150 μC/cm²。然而，BFO 的螺旋磁結(jié)構(gòu)使得其在低磁場(chǎng)下僅表現(xiàn)極弱的鐵磁性。CoFe₂O₄ （ CFO）是一種尖晶石型晶體結(jié)構(gòu)的磁性材料，具有磁各向異性高、矯頑場(chǎng)大、電阻率高，化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此，本實(shí)驗(yàn)選用該鐵磁相材料，由BFO/CFO 組成復(fù)合相結(jié)構(gòu)的多鐵性薄膜。

　　磁電效應(yīng)是指多鐵性材料在鐵電相和鐵磁相的耦合乘積協(xié)同作用下，產(chǎn)生的復(fù)合效應(yīng)，具有磁電性的磁電材料可以用于設(shè)計(jì)磁- 電- 力轉(zhuǎn)換器、磁傳感器、移相器、衰減器，及新型存儲(chǔ)器等器件[8]。因此，被廣泛的關(guān)注，成為當(dāng)今功能材料的研究熱點(diǎn)。將鐵電、鐵磁兩相物質(zhì)交替地沉積在基片上就可以得到2- 2 型疊層結(jié)構(gòu)的磁電復(fù)合薄膜。由于這種結(jié)構(gòu)的實(shí)用性以及制備工藝易于控制，使得人們對(duì)其進(jìn)行了不斷的嘗試和探索。2004 年，H.Zheng 等報(bào)道了用激光脈沖沉積（PLD）法制備的2- 2 型BaTiO₃/CoFe₂O₄ 復(fù)合薄膜的磁電效應(yīng)。注意到磁控濺射法具有速度快、易掌控，成本低等特點(diǎn)，我們選用前述兩種鐵電和鐵磁性能優(yōu)越的材料（BFO、CFO），以疊層結(jié)構(gòu)的方式，用該方法制備了磁電復(fù)合薄膜，并對(duì)其鐵點(diǎn)、鐵磁性能進(jìn)行了研究。

1、實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)使用的鍍膜設(shè)備是中國(guó)科學(xué)院北京科學(xué)儀器研究中心生產(chǎn)的JED- 400 磁控濺射鍍膜機(jī)。BFO 靶是用分析純的Bi₂O₃ 和Fe₂O₃ 按摩爾比1：1 配比，在箱式爐中820℃燒結(jié)3 h 而成；CFO靶是用分析純的CoO 和Fe₂O₃ 按摩爾比1：1 配比， 在箱式爐中1200℃ 燒結(jié)3 h 制得。

　　BiFeO₃/CoFe₂O₄ 復(fù)合磁電薄膜的制備分為兩步：第一步，在Pt/TiO₂/SiO₂/Si 襯底上沉積一層150 nm的CFO 膜層，濺射功率為5.3 W/cm²，然后，在空氣氣氛下800℃退火3 h；第二步，在CFO 膜上再沉積一層800 nm 的BFO 膜層， 濺射功率為4 W/cm²，然后，在空氣氣氛下650℃快速退火30 min。為了對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)分別制備了單一的BFO 膜和單一的CFO 膜。頂層Pt 點(diǎn)陣電極的制備采用直流濺射法， 以孔徑為0.1~0.15 mm 的掩膜片作掩膜， 濺射功率1.5 W/cm²，電極厚度控制在150 nm 左右。實(shí)驗(yàn)中薄膜厚度的測(cè)量使用美國(guó)AMBIOS 公司的XP- 2 型臺(tái)階儀。圖1 BiFeO₃/CoFe₂O₄ 復(fù)合磁電薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 BiFeO3/CoFe2O4 復(fù)合磁電薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖

　　實(shí)驗(yàn)中薄膜的晶體結(jié)構(gòu)分析采用德國(guó)Bruker 公司的D8 ADVANCE- X 射線衍射儀，薄膜的表面形貌分析采用美國(guó)熱電公司生產(chǎn)的Autoprobe CP Research 原子力顯微鏡，鐵電測(cè)試采用美國(guó)Radiant 公司Precision Premier II 鐵電測(cè)試系統(tǒng)，薄膜的磁性能測(cè)試采用美國(guó)Lake ShoreCryotronics 公司的Lake Shore 7410 VSM 震動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)。

3、結(jié)論

　　用磁控濺射法在Pt/TiO₂/SiO₂/Si 襯底上成功制備了BiFeO₃ (BFO)/CoFe₂O₄（CFO）復(fù)合磁電薄膜。檢測(cè)結(jié)果表明，除了CFO、BFO 和少量BFO雜項(xiàng)以外，并沒有其他化合物存在；復(fù)合膜結(jié)構(gòu)在室溫下同時(shí)存在較好的鐵電性和鐵磁性，在70 V 極化電壓，1 kHz 頻率下， 剩余極化強(qiáng)度（2Pr）和矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度（2Ec）分別為77 μC/cm2 和678 kV/cm；室溫條件下，飽和磁化強(qiáng)度（2Ms）和矯頑磁場(chǎng)強(qiáng)度（2Hc）分別為154 emu/cm³ 和2.6 kOe。