一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今信息技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，對(duì)高性能電子器件的需求與日俱增，多鐵材料作為一種集多種鐵性于一身的新型功能材料，因其獨(dú)特的磁電耦合效應(yīng)，在過去的十年里一直是物理學(xué)及材料學(xué)領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。多鐵材料中的逆磁電耦合效應(yīng)，即電場對(duì)磁性的調(diào)控，使電場代替電流和磁場來調(diào)控磁性成為可能，這一特性不僅降低了能耗，而且具有更快的響應(yīng)速度，為解決現(xiàn)代電子器件面臨的能耗和速度瓶頸問題提供了新的思路。傳統(tǒng)的磁性調(diào)控方式主要依賴于電流和磁場，然而，這種方式存在著諸多弊端。以電流調(diào)控磁性為例，在金屬導(dǎo)線中傳導(dǎo)電流時(shí)，電子會(huì)與晶格發(fā)生碰撞，導(dǎo)致能量以熱能的形式耗散，這不僅降低了能源利用效率，還會(huì)使器件產(chǎn)生熱量，影響其穩(wěn)定性和壽命。例如，在計(jì)算機(jī)硬盤的讀寫過程中，為了改變磁存儲(chǔ)單元的狀態(tài)，需要通過線圈產(chǎn)生磁場，這一過程中會(huì)消耗大量的電能，并且產(chǎn)生的熱量需要額外的散熱裝置來處理，增加了設(shè)備的復(fù)雜性和成本。而多鐵材料中的逆磁電耦合效應(yīng)為解決這些問題帶來了希望。通過電場對(duì)磁性進(jìn)行調(diào)控，能夠顯著降低能耗。這是因?yàn)殡妶稣{(diào)控磁性的過程中，不需要大量電子的定向移動(dòng)，從而減少了因電子碰撞晶格而產(chǎn)生的能量損失。此外，電場的響應(yīng)速度極快，可以在瞬間改變磁性狀態(tài)，這使得基于多鐵材料的器件能夠?qū)崿F(xiàn)更高的運(yùn)行速度和更快的數(shù)據(jù)處理能力。在高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，利用逆磁電耦合效應(yīng)，有望實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速寫入和讀取，大大提高存儲(chǔ)設(shè)備的性能。由于單相多鐵材料較弱的磁電耦合及較低的操作溫度，目前通過電場控制磁性的研究主要集中在復(fù)合多鐵材料。復(fù)合多鐵材料通過不同相之間的耦合作用，能夠有效地增強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)，拓寬其應(yīng)用溫度范圍。在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)合多鐵材料展現(xiàn)出了巨大的潛力。在傳感器領(lǐng)域，基于復(fù)合多鐵材料的磁電傳感器能夠?qū)⒋艌鲂盘?hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，或者將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為磁場信號(hào)，具有高靈敏度、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，可用于生物醫(yī)學(xué)檢測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域，多鐵復(fù)合薄膜有望實(shí)現(xiàn)高密度、低能耗的信息存儲(chǔ)，為下一代存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展提供了新的方向?；趹?yīng)力作用、交換偏置效應(yīng)和電荷調(diào)控的逆磁電耦合效應(yīng)是目前電場調(diào)控磁性研究中最常見的幾種機(jī)制?；趹?yīng)力作用的逆磁電耦合效應(yīng)通常只能改變外在的磁性質(zhì)，如磁各向異性。鐵電層的應(yīng)力被傳遞至鐵磁層，鐵磁層的晶格應(yīng)力被改變，進(jìn)而改變鐵磁層的矯頑場、飽和磁矩及磁電阻。但撤去電場后，如何保持應(yīng)力仍是一大技術(shù)難題。交換偏置效應(yīng)則是利用鐵磁層與反鐵磁層之間的界面相互作用，通過電場改變界面處的磁矩排列，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性的調(diào)控。電荷調(diào)控機(jī)制則是通過電場改變材料中的電荷分布，進(jìn)而影響磁性。這些機(jī)制的研究對(duì)于深入理解多鐵復(fù)合薄膜的逆磁電耦合效應(yīng)具有重要意義，也為進(jìn)一步優(yōu)化材料性能和開發(fā)新型應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。1.2多鐵復(fù)合薄膜概述多鐵復(fù)合薄膜是由兩種或兩種以上具有不同鐵性（如鐵電性、鐵磁性、鐵彈性等）的材料復(fù)合而成的薄膜材料。這些不同鐵性的材料在復(fù)合薄膜中相互耦合，產(chǎn)生出單一材料所不具備的新性能，其中最引人注目的就是磁電耦合效應(yīng)。多鐵復(fù)合薄膜通常由鐵電相和鐵磁相組成。鐵電相材料具有自發(fā)極化的特性，即在沒有外加電場時(shí)，其內(nèi)部的電偶極子會(huì)自發(fā)地排列在某一方向上，形成宏觀的極化強(qiáng)度。當(dāng)施加外加電場時(shí)，鐵電相的極化方向可以發(fā)生反轉(zhuǎn)，這種極化反轉(zhuǎn)伴隨著晶體結(jié)構(gòu)的微小變化。常見的鐵電相材料有鈦酸鋇（BaTiO?）、鋯鈦酸鉛（Pb(Zr,Ti)O?，簡稱PZT）等。鐵磁相材料則具有自發(fā)磁化的特性，其內(nèi)部的磁矩會(huì)自發(fā)地排列，形成宏觀的磁化強(qiáng)度。在一定溫度范圍內(nèi)，鐵磁相材料對(duì)外表現(xiàn)出磁性，如鈷鐵氧體（CoFe?O?）、鎳鐵合金（NiFe）等都是常見的鐵磁相材料。在多鐵復(fù)合薄膜中，鐵電相和鐵磁相之間通過界面相互作用實(shí)現(xiàn)耦合。這種耦合可以通過多種機(jī)制實(shí)現(xiàn)，如應(yīng)力耦合、交換偏置、電荷轉(zhuǎn)移等。以應(yīng)力耦合機(jī)制為例，當(dāng)在鐵電相上施加電場時(shí)，鐵電相發(fā)生極化反轉(zhuǎn)，由于壓電效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變。這種應(yīng)變通過界面?zhèn)鬟f到鐵磁相，使鐵磁相的晶格發(fā)生畸變，進(jìn)而改變鐵磁相的磁性能，如磁各向異性、飽和磁化強(qiáng)度等。這種通過應(yīng)力傳遞實(shí)現(xiàn)的磁電耦合效應(yīng)，使得多鐵復(fù)合薄膜在磁電傳感器、磁電存儲(chǔ)器等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。相較于單相多鐵材料，多鐵復(fù)合薄膜具有顯著的優(yōu)勢(shì)。在單相多鐵材料中，由于鐵電有序和磁有序的形成往往需要不同的晶體結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)，導(dǎo)致在同一相中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)鐵電性和強(qiáng)磁性的共存較為困難，且磁電耦合效應(yīng)通常較弱。而多鐵復(fù)合薄膜通過不同相之間的耦合，可以有效地增強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)。不同相的選擇和組合具有更大的靈活性，可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?？梢赃x擇具有高磁導(dǎo)率的鐵磁相和具有高介電常數(shù)的鐵電相進(jìn)行復(fù)合，以獲得更好的磁電性能。常見的多鐵復(fù)合薄膜體系有多種。其中，PZT/CoFe?O?復(fù)合薄膜體系是研究較為廣泛的一種。PZT具有良好的鐵電性能和壓電性能，CoFe?O?具有較高的飽和磁化強(qiáng)度和磁導(dǎo)率。在PZT/CoFe?O?復(fù)合薄膜中，通過PZT的壓電效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力可以有效地調(diào)控CoFe?O?的磁性能，實(shí)現(xiàn)較大的磁電耦合系數(shù)。這種復(fù)合薄膜在磁電傳感器中具有潛在的應(yīng)用，可用于檢測微弱的磁場變化，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。BaTiO?/Fe?O?復(fù)合薄膜體系也是常見的多鐵復(fù)合薄膜體系之一。BaTiO?是一種典型的鐵電材料，具有較高的居里溫度和良好的壓電性能。Fe?O?是一種磁性材料，具有較高的飽和磁化強(qiáng)度。在BaTiO?/Fe?O?復(fù)合薄膜中，通過界面處的應(yīng)力傳遞和電荷轉(zhuǎn)移等機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了鐵電相和鐵磁相之間的耦合，展現(xiàn)出一定的磁電耦合效應(yīng)。這種復(fù)合薄膜在能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景，如可用于制備磁電發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。1.3逆磁電耦合效應(yīng)原理逆磁電耦合效應(yīng)，作為多鐵材料領(lǐng)域的關(guān)鍵特性，其基本原理是基于電場對(duì)磁性的調(diào)控機(jī)制。在多鐵復(fù)合薄膜中，這種調(diào)控機(jī)制主要通過鐵電相與鐵磁相之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)。從微觀角度來看，當(dāng)在多鐵復(fù)合薄膜的鐵電相上施加電場時(shí)，會(huì)引發(fā)一系列物理變化。鐵電材料具有自發(fā)極化的特性，電場的施加會(huì)改變鐵電相內(nèi)部電偶極子的排列方向，使其極化狀態(tài)發(fā)生改變。這種極化狀態(tài)的改變并非孤立發(fā)生，而是會(huì)通過多種耦合機(jī)制對(duì)鐵磁相的磁性產(chǎn)生影響。應(yīng)力耦合是一種常見的機(jī)制。由于鐵電材料具有壓電效應(yīng)，當(dāng)鐵電相的極化狀態(tài)因電場而改變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。這種應(yīng)變會(huì)通過鐵電相與鐵磁相之間的界面?zhèn)鬟f到鐵磁相。以PZT/CoFe?O?復(fù)合薄膜為例，當(dāng)在PZT鐵電層上施加電場時(shí)，PZT因壓電效應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)變，該應(yīng)變傳遞至CoFe?O?鐵磁層，使CoFe?O?的晶格發(fā)生畸變。晶格畸變會(huì)改變鐵磁層內(nèi)原子的間距和相對(duì)位置，進(jìn)而影響鐵磁相的磁性能，如磁各向異性、飽和磁化強(qiáng)度等。這種通過應(yīng)力傳遞實(shí)現(xiàn)的電場對(duì)磁性的調(diào)控，是逆磁電耦合效應(yīng)的一種重要表現(xiàn)形式。交換偏置效應(yīng)也是實(shí)現(xiàn)逆磁電耦合的重要機(jī)制之一。在具有鐵磁層和反鐵磁層的多鐵復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)中，鐵磁層與反鐵磁層之間存在界面相互作用。當(dāng)施加電場時(shí)，電場會(huì)影響鐵電相的極化狀態(tài)，進(jìn)而通過界面作用改變鐵磁層與反鐵磁層界面處的磁矩排列。在Pb(Zr?.??Ti?.??)O?/CoFe?O?/NiO多鐵異質(zhì)結(jié)中，經(jīng)過場冷處理后，測量不同極化狀態(tài)下的M-H曲線可以發(fā)現(xiàn)，電場能夠?qū)υ摦愘|(zhì)結(jié)的交換偏置場（Heb）和飽和磁矩（Ms）進(jìn)行調(diào)制。這是因?yàn)殡妶鲎饔孟码娮拥淖⑷耄ɑ蜥尫牛┮约癈oFe?O?層電子結(jié)構(gòu)在PZT鐵電極化作用下的重新分布，共同改變了CoFe?O?層交換作用的強(qiáng)弱，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁性的調(diào)控。電荷調(diào)控機(jī)制同樣在逆磁電耦合效應(yīng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。電場的施加可以改變多鐵復(fù)合薄膜中電荷的分布情況。在一些復(fù)合薄膜體系中，鐵電相極化狀態(tài)的改變會(huì)導(dǎo)致界面處電荷的重新分布，形成電荷集聚層或耗散層，進(jìn)而影響鐵磁相的電子結(jié)構(gòu)和磁性。在Mn:ZnO/Pb(Zr?.??Ti?.??)O?復(fù)合薄膜中，當(dāng)PZT層的鐵電極化方向改變時(shí)，會(huì)調(diào)節(jié)Mn:ZnO中載流子的濃度，從而導(dǎo)致Mn:ZnO磁性的變化。當(dāng)PZT層中的鐵電極化由PZT層指向Mn:ZnO層時(shí)，由于鐵電場效應(yīng)，Mn:ZnO層的載流子濃度增加，此時(shí)復(fù)合薄膜的電阻較小，飽和磁矩也較?。欢?dāng)鐵電極化翻轉(zhuǎn)，由Mn:ZnO層指向PZT層時(shí)，Mn:ZnO層的載流子濃度降低，復(fù)合薄膜的電阻變大，飽和磁矩也隨之變大。逆磁電耦合效應(yīng)在多鐵復(fù)合薄膜中具有至關(guān)重要的意義。從應(yīng)用角度來看，它為新型電子器件的研發(fā)提供了廣闊的空間。在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域，利用逆磁電耦合效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)電場對(duì)磁性存儲(chǔ)單元的直接調(diào)控，有望開發(fā)出低能耗、高速讀寫的新型磁電存儲(chǔ)器。與傳統(tǒng)的基于電流和磁場調(diào)控的存儲(chǔ)技術(shù)相比，這種基于逆磁電耦合的存儲(chǔ)方式能夠顯著降低能耗，提高存儲(chǔ)密度和讀寫速度。在傳感器領(lǐng)域，逆磁電耦合效應(yīng)使得多鐵復(fù)合薄膜能夠?qū)ξ⑷醯碾妶龌虼艌鲂盘?hào)產(chǎn)生敏感響應(yīng)，可用于制備高靈敏度的磁電傳感器，用于生物醫(yī)學(xué)檢測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子、磁場變化等微小信號(hào)的精確探測。從基礎(chǔ)研究角度而言，逆磁電耦合效應(yīng)的研究有助于深入理解多鐵材料中不同鐵性之間的耦合機(jī)制，揭示材料內(nèi)部復(fù)雜的物理過程。通過對(duì)逆磁電耦合效應(yīng)的研究，可以進(jìn)一步探索電子自旋、電荷、軌道等自由度之間的相互作用，為凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的發(fā)展提供新的理論依據(jù)。對(duì)多鐵復(fù)合薄膜中逆磁電耦合效應(yīng)的研究還能夠推動(dòng)材料制備技術(shù)和表征手段的發(fā)展，促進(jìn)跨學(xué)科研究的深入開展。1.4研究現(xiàn)狀與問題近年來，多鐵復(fù)合薄膜中的逆磁電耦合效應(yīng)在國內(nèi)外都受到了廣泛的關(guān)注，取得了一系列重要的研究成果。在材料制備方面，科學(xué)家們不斷探索新的制備方法和工藝，以提高多鐵復(fù)合薄膜的質(zhì)量和性能。溶膠-凝膠法、脈沖激光沉積（PLD）、分子束外延（MBE）等技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多鐵復(fù)合薄膜的制備。通過溶膠-凝膠法制備的Pb(Zr?.??Ti?.??)O?/CoFe?O?復(fù)合薄膜，能夠精確控制薄膜的成分和厚度，獲得了較好的結(jié)晶質(zhì)量和界面質(zhì)量，展現(xiàn)出了明顯的逆磁電耦合效應(yīng)。在逆磁電耦合效應(yīng)的調(diào)控機(jī)制研究方面，也取得了顯著進(jìn)展。研究人員深入探討了基于應(yīng)力作用、交換偏置效應(yīng)和電荷調(diào)控等多種機(jī)制下的逆磁電耦合效應(yīng)。通過對(duì)PZT/CoFe?O?復(fù)合薄膜的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在PZT鐵電層上施加電場時(shí)，PZT因壓電效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力傳遞至CoFe?O?鐵磁層，改變了CoFe?O?的晶格結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)其磁性能的有效調(diào)控，揭示了應(yīng)力作用在逆磁電耦合效應(yīng)中的重要作用。在應(yīng)用研究方面，多鐵復(fù)合薄膜在傳感器、存儲(chǔ)器等領(lǐng)域展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價(jià)值?；诙噼F復(fù)合薄膜的磁電傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微弱磁場的高靈敏度檢測，有望應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)檢測、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域，多鐵復(fù)合薄膜的逆磁電耦合效應(yīng)為實(shí)現(xiàn)低能耗、高速讀寫的新型存儲(chǔ)技術(shù)提供了可能。盡管多鐵復(fù)合薄膜逆磁電耦合效應(yīng)的研究取得了一定的成果，但目前仍存在一些問題亟待解決。在材料制備方面，雖然現(xiàn)有的制備技術(shù)能夠制備出具有一定性能的多鐵復(fù)合薄膜，但制備過程往往較為復(fù)雜，成本較高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。而且，在制備過程中，精確控制薄膜的成分、結(jié)構(gòu)和界面質(zhì)量仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，這直接影響到薄膜的逆磁電耦合性能和穩(wěn)定性。不同制備方法和工藝參數(shù)對(duì)薄膜性能的影響規(guī)律尚未完全明確，需要進(jìn)一步深入研究。在調(diào)控機(jī)制的理解方面，雖然已經(jīng)提出了多種逆磁電耦合機(jī)制，但這些機(jī)制之間的相互作用和協(xié)同效應(yīng)還不完全清楚。在一些復(fù)雜的多鐵復(fù)合薄膜體系中，可能同時(shí)存在多種耦合機(jī)制，它們之間的競爭和協(xié)同關(guān)系如何影響逆磁電耦合效應(yīng)，目前還缺乏系統(tǒng)的研究。對(duì)于逆磁電耦合效應(yīng)在微觀層面的物理本質(zhì)，如電子結(jié)構(gòu)、自旋狀態(tài)等的變化，還需要借助更先進(jìn)的表征技術(shù)和理論計(jì)算方法進(jìn)行深入探究。從應(yīng)用角度來看，多鐵復(fù)合薄膜從實(shí)驗(yàn)室研究到實(shí)際應(yīng)用還面臨著諸多障礙。目前多鐵復(fù)合薄膜的逆磁電耦合性能還不夠理想，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。在磁電傳感器中，提高傳感器的靈敏度、穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，以及降低噪聲等問題，仍然是需要解決的關(guān)鍵問題。在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域，如何實(shí)現(xiàn)多鐵復(fù)合薄膜與現(xiàn)有存儲(chǔ)技術(shù)的有效集成，以及提高存儲(chǔ)密度和數(shù)據(jù)讀寫速度等，也是亟待解決的挑戰(zhàn)。多鐵復(fù)合薄膜在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和耐久性也需要進(jìn)一步研究，以確保其在復(fù)雜環(huán)境下能夠穩(wěn)定工作。二、多鐵復(fù)合薄膜的制備方法2.1溶膠-凝膠法2.1.1原理與流程溶膠-凝膠法作為一種常用的濕化學(xué)制備方法，在多鐵復(fù)合薄膜的制備中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其基本原理是基于金屬醇鹽或無機(jī)鹽在溶劑中的水解和縮聚反應(yīng)，通過一系列的化學(xué)反應(yīng)過程，將溶液轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂腥S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，最終經(jīng)過干燥和熱處理形成所需的薄膜。在溶液配制階段，選擇合適的金屬醇鹽或無機(jī)鹽作為前驅(qū)體。對(duì)于制備鐵電相和鐵磁相組成的多鐵復(fù)合薄膜，若鐵電相選擇鋯鈦酸鉛（PZT），則通常選用醋酸鉛、鈦酸丁酯和鋯酸丁酯等作為前驅(qū)體；若鐵磁相選擇鈷鐵氧體（CoFe?O?），則可選用硝酸鈷、硝酸鐵等作為前驅(qū)體。這些前驅(qū)體需溶解在適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)溶劑中，如乙二醇甲醚、乙醇等，形成均勻的溶液。在溶解過程中，需嚴(yán)格控制各前驅(qū)體的比例，以確保最終薄膜的化學(xué)組成符合預(yù)期。通過精確的化學(xué)計(jì)量比調(diào)配，能夠保證多鐵復(fù)合薄膜中各相的含量準(zhǔn)確，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜性能的有效調(diào)控。溶膠形成過程是該方法的關(guān)鍵步驟之一。前驅(qū)體溶液在一定條件下發(fā)生水解反應(yīng)，金屬醇鹽或無機(jī)鹽中的金屬離子與水分子發(fā)生作用，形成金屬氫氧化物或水合物。以鈦酸丁酯的水解為例，其反應(yīng)式為：Ti(OC?H?)?+4H?O→Ti(OH)?+4C?H?OH。水解產(chǎn)生的金屬氫氧化物或水合物進(jìn)一步發(fā)生縮聚反應(yīng)，形成由金屬-氧-金屬鍵連接的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這些聚合物逐漸聚集形成納米級(jí)的粒子，進(jìn)而形成穩(wěn)定的溶膠。在這個(gè)過程中，溶液的pH值、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)溶膠的質(zhì)量和穩(wěn)定性有著重要影響。通過調(diào)節(jié)pH值，可以控制水解和縮聚反應(yīng)的速率，避免反應(yīng)過快或過慢導(dǎo)致溶膠質(zhì)量不佳。合適的反應(yīng)溫度和時(shí)間則有助于形成均勻、穩(wěn)定的溶膠體系。凝膠化過程是溶膠向凝膠轉(zhuǎn)變的階段。隨著水解和縮聚反應(yīng)的進(jìn)行，溶膠中的粒子不斷聚合長大，形成連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，溶劑被包裹在網(wǎng)絡(luò)中，溶膠逐漸失去流動(dòng)性，轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。在這個(gè)過程中，陳化時(shí)間對(duì)凝膠的質(zhì)量至關(guān)重要。陳化時(shí)間過短，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能不夠完善；陳化時(shí)間過長，則可能導(dǎo)致凝膠過度收縮和開裂。一般來說，適當(dāng)?shù)年惢瘯r(shí)間在數(shù)小時(shí)至數(shù)天不等，具體時(shí)間需根據(jù)前驅(qū)體的種類、溶液濃度以及實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化。薄膜成型階段，將凝膠均勻地涂布在基底表面，形成一層薄膜。常用的涂膜方法有旋涂法、浸涂法和噴涂法等。旋涂法是將基底固定在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，滴加適量的凝膠溶液在基底中心，通過高速旋轉(zhuǎn)使溶液均勻地鋪展在基底表面，形成厚度均勻的薄膜。浸涂法則是將基底浸入凝膠溶液中，然后以一定的速度勻速提拉，使凝膠溶液在基底表面形成一層薄膜。噴涂法則是利用噴槍將凝膠溶液霧化后噴涂在基底表面。不同的涂膜方法適用于不同的應(yīng)用場景和薄膜要求。旋涂法適用于制備大面積、厚度均勻的薄膜，常用于實(shí)驗(yàn)室研究；浸涂法操作簡單，適合制備對(duì)厚度均勻性要求不高的薄膜；噴涂法可實(shí)現(xiàn)快速大面積涂膜，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。在完成涂膜后，需要對(duì)薄膜進(jìn)行干燥處理，去除其中的溶劑和水分。干燥過程需嚴(yán)格控制溫度和濕度，以避免薄膜因干燥速度過快而產(chǎn)生開裂或收縮等缺陷。一般先在較低溫度下進(jìn)行初步干燥，使溶劑緩慢揮發(fā)，然后逐漸升高溫度，進(jìn)一步去除殘留的水分和有機(jī)物。在初步干燥階段，溫度通?？刂圃?0-80℃，時(shí)間為1-2小時(shí)；在后續(xù)的干燥過程中，溫度可逐漸升高至100-150℃，時(shí)間根據(jù)薄膜的厚度和材質(zhì)而定。經(jīng)過干燥處理后，得到的干凝膠膜還需進(jìn)行熱處理，以去除殘留的有機(jī)物，促進(jìn)薄膜的結(jié)晶化，提高薄膜的性能。熱處理的溫度和時(shí)間根據(jù)薄膜的材料和結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行調(diào)整，一般在500-1000℃之間，時(shí)間為1-數(shù)小時(shí)。在熱處理過程中，薄膜的晶體結(jié)構(gòu)逐漸形成，晶格缺陷減少，從而提高薄膜的電學(xué)、磁學(xué)等性能。2.1.2優(yōu)勢(shì)與局限溶膠-凝膠法在制備多鐵復(fù)合薄膜方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。該方法能夠制備出高度均勻的薄膜。在溶液配制階段，前驅(qū)體在分子水平上均勻混合，經(jīng)過水解和縮聚反應(yīng)后，形成的溶膠和凝膠體系中的各組分也能保持高度的均勻性。這種均勻性使得最終制備的多鐵復(fù)合薄膜在化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)上都具有良好的一致性，有利于提高薄膜的性能穩(wěn)定性。在制備PZT/CoFe?O?多鐵復(fù)合薄膜時(shí)，通過溶膠-凝膠法可以使PZT和CoFe?O?相在薄膜中均勻分布，避免了成分偏析現(xiàn)象，從而保證了薄膜磁電耦合性能的穩(wěn)定性。溶膠-凝膠法能夠精確控制薄膜的成分。通過準(zhǔn)確稱量和調(diào)配前驅(qū)體的用量，可以嚴(yán)格按照預(yù)定的化學(xué)計(jì)量比制備薄膜。這一特性對(duì)于多鐵復(fù)合薄膜的制備尤為重要，因?yàn)椴煌F性相的比例和含量對(duì)薄膜的磁電性能有著關(guān)鍵影響。通過精確控制PZT和CoFe?O?的比例，可以優(yōu)化復(fù)合薄膜的磁電耦合系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜性能的精準(zhǔn)調(diào)控。該方法還具有實(shí)現(xiàn)低溫制備的優(yōu)勢(shì)。與一些高溫制備方法相比，溶膠-凝膠法的熱處理溫度相對(duì)較低，通常在500-1000℃之間。較低的制備溫度可以避免高溫對(duì)薄膜材料性能的不利影響，如防止某些材料的揮發(fā)、分解或晶格畸變等。對(duì)于一些對(duì)溫度敏感的材料體系，溶膠-凝膠法的低溫制備特性能夠更好地保留材料的原有性能，為制備高性能的多鐵復(fù)合薄膜提供了可能。然而，溶膠-凝膠法也存在一些局限性。其工藝相對(duì)復(fù)雜，涉及多個(gè)步驟和參數(shù)的控制。從溶液配制、溶膠形成、凝膠化到薄膜成型和熱處理，每個(gè)步驟都需要嚴(yán)格控制條件，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的偏差都可能影響薄膜的質(zhì)量和性能。在溶液配制過程中，前驅(qū)體的溶解速度、溶液的均勻性以及pH值的調(diào)節(jié)都需要精確控制；在涂膜過程中，涂膜速度、厚度和均勻性的控制也對(duì)操作人員的技術(shù)要求較高。溶膠-凝膠法制備的薄膜容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。在干燥和熱處理過程中，由于溶劑和有機(jī)物的揮發(fā)以及薄膜內(nèi)部應(yīng)力的變化，薄膜容易產(chǎn)生裂紋。薄膜開裂會(huì)降低薄膜的完整性和性能，影響其在實(shí)際應(yīng)用中的效果。為了減少薄膜開裂，可以采用一些改進(jìn)措施，如優(yōu)化干燥程序，采用緩慢升溫、分段干燥的方式；添加增塑劑或分散劑，改善薄膜的柔韌性和內(nèi)部應(yīng)力分布；選擇合適的基底材料，提高薄膜與基底的附著力等。該方法的制備周期相對(duì)較長。從原料準(zhǔn)備到最終得到性能良好的薄膜，整個(gè)過程可能需要數(shù)天甚至數(shù)周的時(shí)間。較長的制備周期不僅增加了生產(chǎn)成本，也限制了該方法在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用。為了提高生產(chǎn)效率，需要進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝，探索更快速、高效的制備方法和流程。2.1.3實(shí)例分析以制備Pb(Zr?.??Ti?.??)O?/CoFe?O?/NiO多鐵異質(zhì)結(jié)薄膜為例，溶膠-凝膠法展現(xiàn)出了其獨(dú)特的制備過程和效果。在制備過程中，首先分別制備Pb(Zr?.??Ti?.??)O?（PZT）、CoFe?O?和NiO的溶膠。對(duì)于PZT溶膠的制備，將醋酸鉛、鈦酸丁酯和鋯酸丁酯按照化學(xué)計(jì)量比溶解在乙二醇甲醚和冰乙酸的混合溶劑中。在溶解過程中，需要充分?jǐn)嚢?，使各前?qū)體均勻分散在溶劑中。由于鈦酸丁酯和鋯酸丁酯易水解，冰乙酸的加入可以起到抑制水解的作用，使反應(yīng)能夠在可控的條件下進(jìn)行。通過精確控制溶液的pH值和反應(yīng)溫度，使前驅(qū)體發(fā)生水解和縮聚反應(yīng)，形成穩(wěn)定的PZT溶膠。對(duì)于CoFe?O?溶膠的制備，選用硝酸鈷和硝酸鐵作為前驅(qū)體，溶解在適量的溶劑中，如乙醇或去離子水。在溶液中加入適量的檸檬酸作為絡(luò)合劑，它能夠與金屬離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，防止金屬離子在反應(yīng)過程中發(fā)生沉淀或團(tuán)聚。通過調(diào)節(jié)溶液的pH值和反應(yīng)溫度，使硝酸鈷和硝酸鐵發(fā)生水解和縮聚反應(yīng)，形成CoFe?O?溶膠。NiO溶膠的制備則選用硝酸鎳作為前驅(qū)體，溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲?，如乙醇。在溶液中加入適量的尿素作為沉淀劑，通過控制反應(yīng)溫度和時(shí)間，使硝酸鎳與尿素發(fā)生反應(yīng)，形成氫氧化鎳沉淀。然后對(duì)氫氧化鎳沉淀進(jìn)行洗滌、干燥和煅燒，得到納米級(jí)的NiO粉末。將NiO粉末分散在適當(dāng)?shù)娜軇┲?，加入適量的表面活性劑，如聚乙烯醇（PVA），通過超聲分散等方法，使NiO粉末均勻分散在溶劑中，形成穩(wěn)定的NiO溶膠。在完成各溶膠的制備后，采用旋涂法將PZT溶膠涂覆在基底上，如硅片或藍(lán)寶石襯底。將基底固定在旋涂機(jī)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，滴加適量的PZT溶膠在基底中心，然后以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，使溶膠均勻地鋪展在基底表面，形成一層PZT薄膜。旋涂過程中，轉(zhuǎn)速、滴膠量和旋涂時(shí)間等參數(shù)對(duì)薄膜的厚度和均勻性有重要影響。一般來說，較高的轉(zhuǎn)速可以得到較薄的薄膜，而增加滴膠量或延長旋涂時(shí)間則可以增加薄膜的厚度。在旋涂完成后，將涂有PZT薄膜的基底在一定溫度下進(jìn)行干燥處理，去除溶劑和水分。干燥溫度通?？刂圃?0-120℃之間，時(shí)間為1-2小時(shí)。經(jīng)過干燥處理后，得到的PZT薄膜還需在高溫下進(jìn)行熱處理，以促進(jìn)其結(jié)晶化。熱處理溫度一般在600-700℃之間，時(shí)間為1-2小時(shí)。在PZT薄膜制備完成后，采用同樣的旋涂法將CoFe?O?溶膠涂覆在PZT薄膜上。在涂覆過程中，需要注意控制溶膠的濃度和旋涂參數(shù)，以確保CoFe?O?薄膜與PZT薄膜之間有良好的界面結(jié)合。涂覆完成后，對(duì)CoFe?O?薄膜進(jìn)行干燥和熱處理，干燥溫度和時(shí)間與PZT薄膜類似，熱處理溫度一般在500-600℃之間，時(shí)間為1-2小時(shí)。將NiO溶膠涂覆在CoFe?O?薄膜上，形成Pb(Zr?.??Ti?.??)O?/CoFe?O?/NiO多鐵異質(zhì)結(jié)薄膜。在整個(gè)制備過程中，通過精確控制各溶膠的制備條件、旋涂參數(shù)以及干燥和熱處理?xiàng)l件，成功制備出了具有良好結(jié)構(gòu)和性能的多鐵異質(zhì)結(jié)薄膜。經(jīng)過場冷處理后，對(duì)該多鐵異質(zhì)結(jié)薄膜進(jìn)行磁性測量，測量不同極化狀態(tài)下的M-H曲線。結(jié)果表明，電場能夠?qū)υ摦愘|(zhì)結(jié)的交換偏置場（Heb）和飽和磁矩（Ms）進(jìn)行有效調(diào)制。當(dāng)在PZT層上施加正向電場時(shí)，PZT的極化方向發(fā)生改變，通過界面作用，使得CoFe?O?與NiO界面處的磁矩排列發(fā)生變化，從而導(dǎo)致交換偏置場和飽和磁矩發(fā)生相應(yīng)的改變。這種電場對(duì)磁性的調(diào)控效果，充分展示了溶膠-凝膠法制備的多鐵復(fù)合薄膜在逆磁電耦合效應(yīng)方面的應(yīng)用潛力。通過溶膠-凝膠法精確控制薄膜的成分和結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)高性能的多鐵復(fù)合薄膜提供了有效的途徑，也為進(jìn)一步研究逆磁電耦合效應(yīng)的調(diào)控機(jī)制提供了良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。2.2脈沖激光沉積法2.2.1原理與流程脈沖激光沉積法（PulsedLaserDeposition，簡稱PLD）是一種先進(jìn)的薄膜制備技術(shù)，其原理基于高能量密度激光與靶材之間的相互作用。在脈沖激光沉積過程中，首先由脈沖激光器產(chǎn)生高功率的脈沖激光束。這些激光束具有極短的脈沖持續(xù)時(shí)間，通常在納秒甚至皮秒量級(jí)，同時(shí)具備極高的能量密度，能夠在瞬間將大量能量傳遞給靶材。當(dāng)高能量的激光束聚焦在靶材表面時(shí)，靶材表面的原子或分子迅速吸收激光能量。由于激光能量的高度集中，靶材表面的溫度在極短時(shí)間內(nèi)急劇升高，可達(dá)到數(shù)千攝氏度甚至更高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過靶材的蒸發(fā)溫度。在這種高溫條件下，靶材表面的物質(zhì)迅速發(fā)生汽化和蒸發(fā)，形成包含原子、分子、離子和電子等的高溫等離子體。這些等離子體在靶材表面附近形成一個(gè)明亮的等離子體火焰，其中的粒子具有極高的能量和速度。隨著等離子體的形成，其內(nèi)部的粒子在高溫和高壓的作用下，開始沿靶面法線方向向外膨脹。在膨脹過程中，等離子體與周圍環(huán)境發(fā)生相互作用，進(jìn)一步電離和激發(fā)，形成一個(gè)沿法線方向向外延伸的細(xì)長等離子體羽輝。這個(gè)等離子體羽輝中包含了從靶材濺射出來的各種粒子，它們以高速向基底方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)入x子體羽輝中的粒子到達(dá)基底表面時(shí)，由于基底的溫度相對(duì)較低，粒子的能量迅速降低，開始在基底表面發(fā)生沉積。這些粒子在基底表面通過成核和生長的過程，逐漸形成連續(xù)的薄膜。在沉積過程中，粒子與基底表面的原子或分子發(fā)生相互作用，通過化學(xué)鍵合或物理吸附等方式結(jié)合在一起，使得薄膜不斷生長。通過精確控制激光的能量、脈沖頻率、靶材與基底的距離以及沉積時(shí)間等參數(shù)，可以有效地調(diào)控薄膜的生長速率、厚度和質(zhì)量。2.2.2優(yōu)勢(shì)與局限脈沖激光沉積法在多鐵復(fù)合薄膜制備領(lǐng)域展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢(shì)。該方法能夠精確保持靶材的化學(xué)計(jì)量比。在激光濺射過程中，靶材表面的原子或分子被直接濺射出來并沉積在基底上，這使得薄膜的化學(xué)成分與靶材幾乎完全一致。對(duì)于多鐵復(fù)合薄膜而言，這種特性尤為重要，因?yàn)椴煌F性相的精確比例和含量是實(shí)現(xiàn)良好磁電耦合性能的關(guān)鍵。在制備BaTiO?/CoFe?O?復(fù)合薄膜時(shí)，通過脈沖激光沉積法可以確保BaTiO?和CoFe?O?在薄膜中的比例與靶材中的比例相同，從而保證復(fù)合薄膜具有穩(wěn)定且優(yōu)異的磁電性能。脈沖激光沉積法具有出色的定向性。等離子體羽輝中的粒子主要沿靶面法線方向向基底運(yùn)動(dòng)，這使得薄膜的沉積具有高度的方向性。這種定向性有利于在特定的基底區(qū)域進(jìn)行精確的薄膜沉積，可實(shí)現(xiàn)小范圍的薄膜制備，滿足一些對(duì)薄膜沉積位置精度要求較高的應(yīng)用需求。在制備微納器件中的多鐵復(fù)合薄膜時(shí)，脈沖激光沉積法能夠在微小的區(qū)域內(nèi)精確沉積薄膜，確保器件的性能和尺寸精度。該方法還能夠在較低溫度下實(shí)現(xiàn)薄膜的生長。由于等離子體中的粒子具有較高的能量，它們?cè)诘竭_(dá)基底表面時(shí)能夠提供足夠的能量來促進(jìn)薄膜的生長，而無需對(duì)基底進(jìn)行過高溫度的加熱。這一特性對(duì)于一些對(duì)溫度敏感的基底材料或需要避免高溫對(duì)薄膜性能影響的情況非常有利。在一些有機(jī)基底上沉積多鐵復(fù)合薄膜時(shí)，低溫生長可以避免有機(jī)基底的熱分解或變形，保證薄膜與基底之間的良好結(jié)合和薄膜的性能穩(wěn)定性。然而，脈沖激光沉積法也存在一些局限性。設(shè)備成本較高是其面臨的一個(gè)主要問題。脈沖激光沉積系統(tǒng)需要配備高功率的脈沖激光器、高精度的真空系統(tǒng)以及復(fù)雜的激光聚焦和控制系統(tǒng)等，這些設(shè)備的購置和維護(hù)成本都相對(duì)較高，限制了該方法在一些預(yù)算有限的研究和生產(chǎn)場景中的應(yīng)用。脈沖激光沉積法的產(chǎn)量相對(duì)較低。由于該方法主要通過單個(gè)激光脈沖對(duì)靶材進(jìn)行濺射，每次濺射的物質(zhì)數(shù)量有限，導(dǎo)致薄膜的生長速率相對(duì)較慢，難以滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求。在需要大量制備多鐵復(fù)合薄膜的情況下，較低的產(chǎn)量會(huì)增加生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期，限制了其在工業(yè)化生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用。在薄膜質(zhì)量方面，脈沖激光沉積法制備的薄膜可能存在一些缺陷。在濺射過程中，可能會(huì)產(chǎn)生一些較大的熔融小顆粒或靶材碎片，這些顆粒和碎片會(huì)夾雜在薄膜中，導(dǎo)致薄膜的表面粗糙度增加，影響薄膜的電學(xué)、磁學(xué)等性能。為了減少這些缺陷，需要對(duì)激光參數(shù)、濺射環(huán)境等進(jìn)行精細(xì)控制，同時(shí)采用一些后處理工藝來改善薄膜的質(zhì)量。2.2.3實(shí)例分析以制備Co/BaTiO?復(fù)合薄膜為例，脈沖激光沉積法展現(xiàn)出了獨(dú)特的工藝過程和性能優(yōu)勢(shì)。在制備過程中，首先需要準(zhǔn)備高質(zhì)量的Co靶和BaTiO?靶材。這些靶材的純度和均勻性對(duì)最終薄膜的質(zhì)量有著重要影響，因此通常需要采用高純度的原材料，并通過精密的制備工藝來確保靶材的質(zhì)量。將Co靶和BaTiO?靶材安裝在脈沖激光沉積設(shè)備的靶架上，同時(shí)將基底（如藍(lán)寶石襯底或硅片）放置在合適的位置，調(diào)整靶材與基底之間的距離，一般控制在幾厘米左右，以確保等離子體能夠有效地傳輸?shù)交妆砻?。在沉積過程中，選用高能量密度的脈沖激光器，如Nd:YAG激光器，其波長和脈沖寬度等參數(shù)需要根據(jù)靶材的性質(zhì)和薄膜的要求進(jìn)行優(yōu)化。激光能量密度通?？刂圃趲捉苟科椒嚼迕?，脈沖頻率一般在幾赫茲到幾十赫茲之間。較高的激光能量密度可以提高靶材的濺射效率，但過高的能量密度可能會(huì)導(dǎo)致靶材的過度濺射和薄膜質(zhì)量的下降；適當(dāng)?shù)拿}沖頻率則可以控制薄膜的生長速率，保證薄膜的均勻性。在沉積Co層時(shí)，通過控制激光的脈沖次數(shù)和能量，精確控制Co層的厚度。一般來說，每次脈沖激光照射會(huì)使靶材表面濺射一層極薄的Co原子，通過多次脈沖累積，逐漸形成所需厚度的Co層。在沉積過程中，為了提高薄膜的質(zhì)量，可以引入適量的氧氣或氬氣等氣體，調(diào)節(jié)沉積環(huán)境的氣氛。氧氣的引入可以促進(jìn)Co原子的氧化，形成特定的氧化物相，從而改善薄膜的磁性；氬氣則可以起到緩沖和稀釋等離子體的作用，減少等離子體與靶材和基底之間的相互作用，降低薄膜中的缺陷密度。在完成Co層的沉積后，切換到BaTiO?靶材，采用類似的方法沉積BaTiO?層。在沉積BaTiO?層時(shí)，需要根據(jù)BaTiO?的特性調(diào)整激光參數(shù)和沉積條件。由于BaTiO?是一種鐵電材料，其結(jié)晶質(zhì)量和取向?qū)Ρ∧さ蔫F電性能有著重要影響，因此在沉積過程中可能需要適當(dāng)提高基底的溫度，以促進(jìn)BaTiO?的結(jié)晶和取向生長?；诇囟纫话憧刂圃趲装贁z氏度，通過精確的溫度控制系統(tǒng)來確保溫度的穩(wěn)定性。通過這種多層交替沉積的方式，成功制備出Co/BaTiO?復(fù)合薄膜。對(duì)制備的復(fù)合薄膜進(jìn)行性能測試，結(jié)果表明，該薄膜具有良好的結(jié)晶質(zhì)量和界面質(zhì)量。在磁性方面，Co層的存在賦予了薄膜明顯的磁性，通過調(diào)節(jié)Co層的厚度和沉積條件，可以有效地調(diào)控薄膜的飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力等磁性能參數(shù)。在鐵電性能方面，BaTiO?層表現(xiàn)出典型的鐵電滯回曲線，具有較高的剩余極化強(qiáng)度和較低的矯頑電場，表明薄膜具有良好的鐵電性能。在磁電耦合性能測試中，當(dāng)在薄膜上施加電場時(shí)，能夠觀察到明顯的磁性能變化，如磁導(dǎo)率的改變和磁滯回線的移動(dòng)等，這表明通過脈沖激光沉積法制備的Co/BaTiO?復(fù)合薄膜實(shí)現(xiàn)了有效的逆磁電耦合效應(yīng)，為其在磁電傳感器、存儲(chǔ)器等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。2.3磁控濺射法2.3.1原理與流程磁控濺射法是一種基于輝光放電和陰極濺射原理的薄膜制備技術(shù)，在多鐵復(fù)合薄膜的制備中發(fā)揮著重要作用。其原理涉及到氣體放電、離子轟擊和磁場對(duì)電子的約束等多個(gè)關(guān)鍵物理過程。在磁控濺射過程中，首先需要在真空室內(nèi)建立一個(gè)低氣壓環(huán)境，通常將氣壓控制在10?3-10?1Pa的范圍內(nèi)。然后向真空室內(nèi)通入適量的工作氣體，常用的工作氣體為氬氣（Ar）。當(dāng)在陰極靶材和陽極之間施加直流電壓或射頻電壓時(shí)，氣體分子會(huì)被電離，形成等離子體。在電場的作用下，等離子體中的電子獲得能量，加速向陽極運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，電子與氬氣分子發(fā)生碰撞，使氬氣分子進(jìn)一步電離，產(chǎn)生更多的離子和電子，形成自持放電，即輝光放電。在輝光放電過程中，氬離子（Ar?）在電場的加速下，高速轟擊陰極靶材。由于氬離子具有較高的能量，當(dāng)它們撞擊靶材表面時(shí)，會(huì)與靶材原子發(fā)生彈性碰撞，將部分能量傳遞給靶材原子。當(dāng)靶材原子獲得的能量足夠大時(shí)，就會(huì)克服靶材表面的束縛力，從靶材表面濺射出來，形成濺射原子。這些濺射原子以一定的速度向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，其中一部分濺射原子會(huì)到達(dá)基底表面，并在基底表面沉積下來，逐漸形成薄膜。為了提高濺射效率和薄膜質(zhì)量，磁控濺射法引入了磁場。在磁控濺射裝置中，通常在陰極靶材表面附近設(shè)置一個(gè)環(huán)形磁場，使磁場方向與電場方向相互垂直，形成正交電磁場。電子在正交電磁場中受到洛倫茲力的作用，其運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生彎曲，不再是直線運(yùn)動(dòng)，而是沿著擺線和螺旋線狀的復(fù)合軌跡在靶表面作圓周運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)方式使得電子的運(yùn)動(dòng)路徑大大延長，增加了電子與氬氣分子的碰撞幾率，從而提高了氣體的電離效率，產(chǎn)生更多的氬離子。更多的氬離子轟擊靶材，使得濺射效率得到顯著提高。電子在磁場的束縛下，大部分被限制在靶表面附近的等離子體區(qū)域內(nèi)，只有少量低能電子能夠脫離磁場的束縛，到達(dá)基底表面。這使得基底表面的電子能量較低，傳給基底的能量也很小，從而降低了基底的溫升，有利于保持薄膜的質(zhì)量和性能。在實(shí)際的磁控濺射過程中，薄膜的制備流程包括多個(gè)步驟。首先要對(duì)真空室進(jìn)行嚴(yán)格的抽真空處理，以去除真空室內(nèi)的空氣和其他雜質(zhì)，保證濺射環(huán)境的純凈度。將經(jīng)過清洗和預(yù)處理的基底放置在合適的位置，調(diào)整基底與靶材之間的距離，一般控制在幾厘米到十幾厘米之間。根據(jù)需要選擇合適的靶材，并將其安裝在陰極靶座上。在準(zhǔn)備工作完成后，通入適量的工作氣體，然后施加電壓，啟動(dòng)輝光放電。通過調(diào)節(jié)電壓、電流、氣體流量和磁場強(qiáng)度等參數(shù)，控制濺射過程的進(jìn)行。在濺射過程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測薄膜的生長情況，如薄膜的厚度、成分和結(jié)構(gòu)等，可以采用石英晶體微天平、X射線衍射等技術(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測。當(dāng)薄膜生長到所需的厚度后，停止濺射，關(guān)閉電源和氣體流量，待真空室冷卻后，取出制備好的薄膜。2.3.2優(yōu)勢(shì)與局限磁控濺射法在多鐵復(fù)合薄膜制備方面具有諸多優(yōu)勢(shì)。該方法能夠制備大面積均勻的薄膜。由于磁控濺射過程中，等離子體在靶材表面的分布較為均勻，使得濺射原子能夠均勻地沉積在基底表面，從而可以制備出大面積且厚度均勻的薄膜。這一特性對(duì)于多鐵復(fù)合薄膜在實(shí)際應(yīng)用中的大規(guī)模制備具有重要意義，如在平板顯示器、太陽能電池等領(lǐng)域，需要大面積的薄膜材料，磁控濺射法能夠滿足這一需求。磁控濺射法易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。其設(shè)備相對(duì)簡單，操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較高。通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可以精確控制濺射過程中的各種參數(shù)，保證薄膜質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。這使得磁控濺射法在工業(yè)生產(chǎn)中具有較高的可行性和經(jīng)濟(jì)性，能夠滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求。磁控濺射法還可以制備多種材料的薄膜。無論是金屬、半導(dǎo)體還是陶瓷等材料，都可以通過磁控濺射法制備成薄膜。對(duì)于多鐵復(fù)合薄膜，磁控濺射法可以精確控制不同鐵性相的比例和分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜成分和結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控，從而獲得具有良好磁電性能的復(fù)合薄膜。然而，磁控濺射法也存在一些局限性。設(shè)備復(fù)雜是其面臨的一個(gè)問題。磁控濺射裝置需要配備真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、氣體流量控制系統(tǒng)以及磁場發(fā)生系統(tǒng)等多個(gè)復(fù)雜的子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的維護(hù)和操作需要專業(yè)的技術(shù)人員，增加了設(shè)備的使用和維護(hù)成本。磁控濺射法的沉積速率相對(duì)較低。雖然通過磁場的引入提高了濺射效率，但與一些其他薄膜制備方法相比，如脈沖激光沉積法，磁控濺射法的沉積速率仍然較慢。這在一定程度上限制了其在一些對(duì)薄膜生長速度要求較高的應(yīng)用場景中的應(yīng)用。為了提高沉積速率，需要進(jìn)一步優(yōu)化濺射參數(shù)和設(shè)備結(jié)構(gòu)，但這可能會(huì)帶來其他問題，如薄膜質(zhì)量的下降。在薄膜質(zhì)量方面，磁控濺射法制備的薄膜可能存在一些缺陷。在濺射過程中，由于等離子體與靶材和基底之間的相互作用，可能會(huì)導(dǎo)致薄膜中出現(xiàn)一些雜質(zhì)、空洞或應(yīng)力集中等問題，影響薄膜的性能。為了提高薄膜質(zhì)量，需要對(duì)濺射過程進(jìn)行精細(xì)控制，如優(yōu)化氣體流量、調(diào)整磁場強(qiáng)度和基底溫度等，同時(shí)采用一些后處理工藝，如退火、離子注入等，來改善薄膜的性能。2.3.3實(shí)例分析以制備La?.?Sr?.?MnO?/PMN-PT多鐵復(fù)合薄膜為例，磁控濺射法展現(xiàn)出了獨(dú)特的工藝過程和性能優(yōu)勢(shì)。在制備過程中，首先選擇高質(zhì)量的La?.?Sr?.?MnO?（LSMO）靶材和PMN-PT靶材。LSMO是一種具有良好鐵磁性的材料，其居里溫度較高，磁導(dǎo)率較大；PMN-PT則是一種典型的鐵電材料，具有優(yōu)異的壓電性能和介電性能。這些靶材的純度和均勻性對(duì)最終薄膜的質(zhì)量有著重要影響，因此通常需要采用高純度的原材料，并通過精密的制備工藝來確保靶材的質(zhì)量。將LSMO靶材和PMN-PT靶材分別安裝在磁控濺射設(shè)備的兩個(gè)靶位上，同時(shí)將基底（如藍(lán)寶石襯底或硅片）放置在合適的位置，調(diào)整靶材與基底之間的距離，一般控制在5-10厘米左右，以確保濺射原子能夠有效地傳輸?shù)交妆砻?。在沉積過程中，首先對(duì)真空室進(jìn)行抽真空處理，將真空度降低到10??Pa以下，以保證濺射環(huán)境的純凈度。然后通入適量的氬氣作為工作氣體，將氣體流量控制在5-20sccm之間，通過調(diào)節(jié)氣體流量來控制等離子體的密度和濺射速率。在濺射LSMO層時(shí)，施加直流電壓或射頻電壓，使靶材表面發(fā)生濺射。通過精確控制濺射時(shí)間和功率，可以控制LSMO層的厚度。一般來說，濺射功率在100-300W之間，濺射時(shí)間根據(jù)所需的薄膜厚度而定，通常在幾分鐘到幾十分鐘之間。在濺射過程中，為了提高薄膜的質(zhì)量，可以引入適量的氧氣，調(diào)節(jié)沉積環(huán)境的氣氛。氧氣的引入可以促進(jìn)LSMO原子的氧化，形成特定的氧化物相，從而改善薄膜的磁性。氧氣的流量一般控制在1-5sccm之間。在完成LSMO層的沉積后，切換到PMN-PT靶材，采用類似的方法沉積PMN-PT層。在沉積PMN-PT層時(shí)，需要根據(jù)PMN-PT的特性調(diào)整濺射參數(shù)。由于PMN-PT是一種鐵電材料，其結(jié)晶質(zhì)量和取向?qū)Ρ∧さ蔫F電性能有著重要影響，因此在沉積過程中可能需要適當(dāng)提高基底的溫度，以促進(jìn)PMN-PT的結(jié)晶和取向生長。基底溫度一般控制在500-700℃之間，通過精確的溫度控制系統(tǒng)來確保溫度的穩(wěn)定性。通過這種多層交替沉積的方式，成功制備出La?.?Sr?.?MnO?/PMN-PT多鐵復(fù)合薄膜。對(duì)制備的復(fù)合薄膜進(jìn)行性能測試，結(jié)果表明，該薄膜具有良好的結(jié)晶質(zhì)量和界面質(zhì)量。在磁性方面，LSMO層賦予了薄膜明顯的磁性，通過調(diào)節(jié)LSMO層的厚度和沉積條件，可以有效地調(diào)控薄膜的飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力等磁性能參數(shù)。在鐵電性能方面，PMN-PT層表現(xiàn)出典型的鐵電滯回曲線，具有較高的剩余極化強(qiáng)度和較低的矯頑電場，表明薄膜具有良好的鐵電性能。在磁電耦合性能測試中，當(dāng)在薄膜上施加電場時(shí)，能夠觀察到明顯的磁性能變化，如磁導(dǎo)率的改變和磁滯回線的移動(dòng)等，這表明通過磁控濺射法制備的La?.?Sr?.?MnO?/PMN-PT復(fù)合薄膜實(shí)現(xiàn)了有效的逆磁電耦合效應(yīng)，為其在磁電傳感器、存儲(chǔ)器等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。2.4制備方法對(duì)比與選擇溶膠-凝膠法、脈沖激光沉積法和磁控濺射法是制備多鐵復(fù)合薄膜的三種常用方法，它們?cè)诒∧べ|(zhì)量、制備成本、工藝復(fù)雜度等方面存在顯著差異，適用于不同的研究需求和應(yīng)用場景。在薄膜質(zhì)量方面，溶膠-凝膠法能夠制備出化學(xué)成分均勻的薄膜，這得益于其在溶液階段各前驅(qū)體在分子水平上的均勻混合。通過精確控制水解和縮聚反應(yīng)條件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控，使薄膜具有良好的結(jié)晶質(zhì)量和界面質(zhì)量。在制備PZT/CoFe?O?復(fù)合薄膜時(shí)，溶膠-凝膠法能確保PZT和CoFe?O?相在薄膜中均勻分布，避免成分偏析現(xiàn)象，從而保證薄膜磁電耦合性能的穩(wěn)定性。然而，該方法制備的薄膜容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，這主要是由于在干燥和熱處理過程中，薄膜內(nèi)部應(yīng)力變化以及溶劑和有機(jī)物揮發(fā)導(dǎo)致的。脈沖激光沉積法的優(yōu)勢(shì)在于能夠精確保持靶材的化學(xué)計(jì)量比，這使得制備的多鐵復(fù)合薄膜成分與靶材高度一致，對(duì)于實(shí)現(xiàn)良好的磁電耦合性能至關(guān)重要。該方法還具有出色的定向性，有利于在特定基底區(qū)域進(jìn)行精確的薄膜沉積，可實(shí)現(xiàn)小范圍的薄膜制備，滿足一些對(duì)薄膜沉積位置精度要求較高的應(yīng)用需求。在制備微納器件中的多鐵復(fù)合薄膜時(shí)，脈沖激光沉積法能夠在微小的區(qū)域內(nèi)精確沉積薄膜，確保器件的性能和尺寸精度。但是，脈沖激光沉積法制備的薄膜可能存在一些缺陷，如濺射過程中產(chǎn)生的較大熔融小顆?；虬胁乃槠瑠A雜在薄膜中，導(dǎo)致薄膜的表面粗糙度增加，影響薄膜的電學(xué)、磁學(xué)等性能。磁控濺射法可以制備大面積均勻的薄膜，由于等離子體在靶材表面的分布較為均勻，使得濺射原子能夠均勻地沉積在基底表面，這對(duì)于多鐵復(fù)合薄膜在實(shí)際應(yīng)用中的大規(guī)模制備具有重要意義，如在平板顯示器、太陽能電池等領(lǐng)域，需要大面積的薄膜材料，磁控濺射法能夠滿足這一需求。該方法易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，設(shè)備相對(duì)簡單，操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較高。通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可以精確控制濺射過程中的各種參數(shù)，保證薄膜質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。然而，磁控濺射法制備的薄膜可能存在一些雜質(zhì)、空洞或應(yīng)力集中等問題，這是由于等離子體與靶材和基底之間的相互作用導(dǎo)致的，會(huì)影響薄膜的性能。從制備成本來看，溶膠-凝膠法所需的設(shè)備相對(duì)簡單，主要包括攪拌器、旋涂機(jī)、加熱爐等，設(shè)備購置成本較低。原材料成本也相對(duì)較低，前驅(qū)體多為常見的金屬醇鹽或無機(jī)鹽。但該方法工藝復(fù)雜，涉及多個(gè)步驟和參數(shù)的控制，制備周期較長，從原料準(zhǔn)備到最終得到性能良好的薄膜，整個(gè)過程可能需要數(shù)天甚至數(shù)周的時(shí)間，這增加了時(shí)間成本，在一定程度上限制了其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。脈沖激光沉積法的設(shè)備成本較高，需要配備高功率的脈沖激光器、高精度的真空系統(tǒng)以及復(fù)雜的激光聚焦和控制系統(tǒng)等，這些設(shè)備的購置和維護(hù)成本都相對(duì)較高。而且該方法產(chǎn)量相對(duì)較低，薄膜生長速率較慢，難以滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求，這使得其在大規(guī)模應(yīng)用時(shí)成本較高。磁控濺射法的設(shè)備雖然也較為復(fù)雜，需要配備真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、氣體流量控制系統(tǒng)以及磁場發(fā)生系統(tǒng)等多個(gè)復(fù)雜的子系統(tǒng)，但相較于脈沖激光沉積法，其設(shè)備成本相對(duì)較低。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較高，在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)具有成本優(yōu)勢(shì)，更適合工業(yè)化生產(chǎn)的需求。在工藝復(fù)雜度方面，溶膠-凝膠法工藝最為復(fù)雜，涉及溶液配制、溶膠形成、凝膠化、薄膜成型和熱處理等多個(gè)步驟，每個(gè)步驟都需要嚴(yán)格控制條件，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的偏差都可能影響薄膜的質(zhì)量和性能。在溶液配制過程中，前驅(qū)體的溶解速度、溶液的均勻性以及pH值的調(diào)節(jié)都需要精確控制；在涂膜過程中，涂膜速度、厚度和均勻性的控制也對(duì)操作人員的技術(shù)要求較高。脈沖激光沉積法的工藝相對(duì)較為復(fù)雜，需要精確控制激光的能量、脈沖頻率、靶材與基底的距離以及沉積時(shí)間等參數(shù)，以確保薄膜的質(zhì)量和性能。對(duì)設(shè)備的操作和維護(hù)也需要專業(yè)的技術(shù)人員，增加了工藝的難度。磁控濺射法的工藝相對(duì)簡單，易于操作，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可以精確控制濺射過程中的各種參數(shù)，保證薄膜質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。雖然設(shè)備也較為復(fù)雜，但操作人員經(jīng)過一定的培訓(xùn)后，能夠較為熟練地掌握操作技能，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的要求。根據(jù)不同的研究需求和應(yīng)用場景，可以選擇不同的制備方法。在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，當(dāng)需要深入研究多鐵復(fù)合薄膜的微觀結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，對(duì)薄膜的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)要求較高時(shí)，溶膠-凝膠法是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。其能夠精確控制薄膜的成分和微觀結(jié)構(gòu)，為研究逆磁電耦合效應(yīng)的機(jī)制提供良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。在研究PZT/CoFe?O?復(fù)合薄膜的逆磁電耦合效應(yīng)時(shí)，通過溶膠-凝膠法制備的薄膜可以精確控制PZT和CoFe?O?的比例和分布，便于研究不同成分和結(jié)構(gòu)對(duì)逆磁電耦合效應(yīng)的影響。對(duì)于一些對(duì)薄膜質(zhì)量和性能要求極高，且對(duì)成本和產(chǎn)量要求相對(duì)較低的高端應(yīng)用領(lǐng)域，如制備用于量子器件的多鐵復(fù)合薄膜，脈沖激光沉積法更為合適。其能夠精確保持靶材的化學(xué)計(jì)量比，制備出高質(zhì)量的薄膜，滿足量子器件對(duì)材料性能的嚴(yán)格要求。雖然設(shè)備成本高、產(chǎn)量低，但在這些高端應(yīng)用中，性能的重要性往往超過了成本和產(chǎn)量的考慮。在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域，磁控濺射法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。其能夠制備大面積均勻的薄膜，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，成本相對(duì)較低。在制備用于平板顯示器、太陽能電池等領(lǐng)域的多鐵復(fù)合薄膜時(shí)，磁控濺射法能夠滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和性能穩(wěn)定性，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。三、多鐵復(fù)合薄膜中逆磁電耦合效應(yīng)的機(jī)制3.1應(yīng)力作用機(jī)制3.1.1應(yīng)力傳遞與磁性質(zhì)改變?cè)诙噼F復(fù)合薄膜中，應(yīng)力作用機(jī)制是實(shí)現(xiàn)逆磁電耦合效應(yīng)的重要途徑之一。當(dāng)鐵電層受到外加電場作用時(shí)，由于其自身的壓電效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生顯著的應(yīng)力變化。以常見的鋯鈦酸鉛（PZT）鐵電材料為例，在電場作用下，PZT的晶格結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生畸變，這種晶格畸變會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力并非局限于鐵電層內(nèi)部，而是會(huì)通過鐵電層與鐵磁層之間的緊密界面，傳遞至鐵磁層。一旦應(yīng)力傳遞到鐵磁層，鐵磁層的晶格應(yīng)力便會(huì)隨之改變。這種晶格應(yīng)力的變化會(huì)對(duì)鐵磁層的微觀結(jié)構(gòu)和電子云分布產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。從微觀角度來看，晶格應(yīng)力的改變會(huì)導(dǎo)致鐵磁層內(nèi)原子的間距和相對(duì)位置發(fā)生變化。在鈷鐵氧體（CoFe?O?）鐵磁層中，應(yīng)力作用下原子間距的改變會(huì)影響相鄰原子磁矩之間的交換相互作用。交換相互作用是決定鐵磁材料磁性的關(guān)鍵因素之一，其強(qiáng)度的變化會(huì)直接導(dǎo)致鐵磁層的磁性質(zhì)發(fā)生改變。具體而言，應(yīng)力作用會(huì)改變鐵磁層的矯頑場。矯頑場是衡量鐵磁材料抵抗磁化方向改變能力的重要參數(shù)。在應(yīng)力作用下，鐵磁層內(nèi)磁疇的壁移動(dòng)和磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)受到影響，使得改變磁化方向所需的磁場強(qiáng)度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致矯頑場的改變。當(dāng)鐵磁層受到拉應(yīng)力時(shí)，磁疇壁移動(dòng)的阻力可能會(huì)增加，使得矯頑場增大；反之，當(dāng)受到壓應(yīng)力時(shí)，矯頑場可能會(huì)減小。應(yīng)力作用還會(huì)對(duì)鐵磁層的飽和磁矩產(chǎn)生影響。飽和磁矩是指在足夠強(qiáng)的磁場作用下，鐵磁材料能夠達(dá)到的最大磁化強(qiáng)度。應(yīng)力導(dǎo)致的晶格畸變會(huì)影響鐵磁層中電子的自旋取向和軌道運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而改變磁矩的大小和方向。在某些情況下，應(yīng)力作用可能會(huì)使鐵磁層中部分磁矩的方向發(fā)生偏離，導(dǎo)致飽和磁矩減?。欢诹硪恍┣闆r下，合適的應(yīng)力分布可能會(huì)使磁矩排列更加有序，從而增大飽和磁矩。應(yīng)力作用還會(huì)改變鐵磁層的磁電阻。磁電阻效應(yīng)是指材料的電阻值隨外加磁場變化而改變的現(xiàn)象。在應(yīng)力作用下，鐵磁層的電子散射機(jī)制發(fā)生變化，導(dǎo)致電阻值發(fā)生改變。由于晶格畸變，電子在鐵磁層中的散射幾率可能會(huì)增加，從而使電阻增大；或者應(yīng)力導(dǎo)致的電子結(jié)構(gòu)變化可能會(huì)使電子的傳導(dǎo)路徑發(fā)生改變，進(jìn)而影響磁電阻的大小。3.1.2實(shí)例分析以PZT/CoFe?O?復(fù)合薄膜為例，相關(guān)實(shí)驗(yàn)充分展示了應(yīng)力作用下磁性質(zhì)的顯著變化。在實(shí)驗(yàn)中，通過在PZT鐵電層上施加不同強(qiáng)度和方向的電場，利用PZT的壓電效應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力，并傳遞至CoFe?O?鐵磁層。當(dāng)施加正向電場時(shí)，PZT產(chǎn)生的應(yīng)力傳遞到CoFe?O?層，使得CoFe?O?的晶格發(fā)生拉伸應(yīng)變。實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果顯示，此時(shí)CoFe?O?層的矯頑場明顯增大。這是因?yàn)槔鞈?yīng)變使得磁疇壁移動(dòng)的阻力增加，需要更強(qiáng)的磁場才能改變磁疇的方向，從而導(dǎo)致矯頑場增大。在測量磁滯回線時(shí)，可以清晰地觀察到，施加正向電場后，磁滯回線變得更寬，表明矯頑場的增大。對(duì)于飽和磁矩，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在正向電場作用下，CoFe?O?層的飽和磁矩有所減小。這是由于拉伸應(yīng)變導(dǎo)致鐵磁層中部分磁矩的方向發(fā)生偏離，使得整體的飽和磁矩降低。通過對(duì)不同電場強(qiáng)度下飽和磁矩的測量，可以繪制出飽和磁矩隨電場變化的曲線，直觀地展示出這種變化關(guān)系。在磁電阻方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，正向電場作用下，PZT/CoFe?O?復(fù)合薄膜的磁電阻發(fā)生了明顯變化。由于應(yīng)力導(dǎo)致的電子散射機(jī)制改變，磁電阻呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。通過四探針法測量不同電場下的電阻值，并結(jié)合磁場變化，計(jì)算出磁電阻的變化率，結(jié)果顯示在正向電場作用下，磁電阻變化率顯著增大。當(dāng)施加反向電場時(shí)，PZT產(chǎn)生的應(yīng)力性質(zhì)發(fā)生改變，傳遞到CoFe?O?層的應(yīng)變變?yōu)閴嚎s應(yīng)變。此時(shí)，CoFe?O?層的矯頑場減小，磁滯回線變窄，表明改變磁疇方向所需的磁場強(qiáng)度降低。飽和磁矩則有所增大，這是因?yàn)閴嚎s應(yīng)變使得磁矩排列更加有序，增強(qiáng)了整體的磁化強(qiáng)度。磁電阻也發(fā)生相應(yīng)變化，由于電子散射機(jī)制的改變，磁電阻呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，磁電阻變化率為負(fù)值。3.1.3面臨的挑戰(zhàn)雖然應(yīng)力作用機(jī)制在多鐵復(fù)合薄膜的逆磁電耦合效應(yīng)中具有重要作用，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。撤去電場后如何保持應(yīng)力是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難題。在電場作用下，鐵電層產(chǎn)生的應(yīng)力傳遞到鐵磁層，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁性質(zhì)的調(diào)控。然而，一旦電場消失，鐵電層的壓電效應(yīng)隨之消失，應(yīng)力也會(huì)迅速松弛，難以維持對(duì)鐵磁層磁性質(zhì)的持續(xù)調(diào)控。這使得基于應(yīng)力作用機(jī)制的多鐵復(fù)合薄膜在實(shí)際應(yīng)用中，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的磁性調(diào)控，限制了其在一些需要長期穩(wěn)定磁性狀態(tài)的器件中的應(yīng)用，如磁存儲(chǔ)器件。為了解決這一問題，研究人員嘗試了多種方法。一種思路是尋找具有特殊結(jié)構(gòu)或性能的材料，使其在電場撤去后仍能保持一定的應(yīng)力狀態(tài)。一些具有鐵彈性的材料，在受到應(yīng)力作用后，能夠通過自身的結(jié)構(gòu)變化來儲(chǔ)存應(yīng)力，有望應(yīng)用于多鐵復(fù)合薄膜中，以維持電場撤去后的應(yīng)力。但目前這類材料的開發(fā)仍處于探索階段，其與多鐵復(fù)合薄膜的兼容性以及對(duì)磁電性能的綜合影響還需要進(jìn)一步研究。另一種方法是通過外部輔助手段來保持應(yīng)力。采用機(jī)械夾具等方式對(duì)多鐵復(fù)合薄膜施加外部壓力，模擬電場作用下的應(yīng)力狀態(tài)。這種方法雖然在一定程度上能夠保持應(yīng)力，但會(huì)增加器件的復(fù)雜性和成本，并且難以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力的精確調(diào)控，限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的推廣。應(yīng)力作用機(jī)制在實(shí)際應(yīng)用中還受到其他因素的限制。在大規(guī)模制備多鐵復(fù)合薄膜時(shí)，如何保證應(yīng)力在整個(gè)薄膜中的均勻傳遞是一個(gè)挑戰(zhàn)。由于薄膜制備過程中的工藝差異和材料不均勻性，可能導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻，從而使得磁性質(zhì)的調(diào)控效果不一致，影響器件的性能穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，多鐵復(fù)合薄膜可能會(huì)受到溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，這些因素可能會(huì)改變材料的力學(xué)性能和磁電性能，進(jìn)一步影響應(yīng)力作用機(jī)制的效果。在高溫環(huán)境下，鐵電層和鐵磁層的晶格結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致應(yīng)力傳遞和磁性質(zhì)調(diào)控的效果發(fā)生改變，需要進(jìn)一步研究環(huán)境因素對(duì)多鐵復(fù)合薄膜應(yīng)力作用機(jī)制的影響，并采取相應(yīng)的措施來提高其穩(wěn)定性和可靠性。3.2交換偏置效應(yīng)機(jī)制3.2.1交換偏置現(xiàn)象與電場調(diào)制交換偏置現(xiàn)象是指在鐵磁/反鐵磁體系中，鐵磁層與反鐵磁層之間存在的一種特殊的界面相互作用，這種作用導(dǎo)致鐵磁層的磁滯回線發(fā)生偏移。當(dāng)鐵磁層與反鐵磁層緊密接觸時(shí)，在低于反鐵磁材料的奈爾溫度下進(jìn)行場冷處理后，反鐵磁層的磁矩會(huì)對(duì)鐵磁層的磁矩產(chǎn)生釘扎作用，使得鐵磁層在磁化過程中，磁滯回線不再關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱，而是沿著磁場方向發(fā)生一定的偏移，這個(gè)偏移量對(duì)應(yīng)的磁場即為交換偏置場（Heb）。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)源于鐵磁層與反鐵磁層界面處的交換耦合作用，反鐵磁層的磁矩由于其無序的排列方式，在界面處與鐵磁層的磁矩相互作用，形成了一種類似于“摩擦力”的作用，阻礙鐵磁層磁矩的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致磁滯回線的偏移。在多鐵復(fù)合薄膜中，電場對(duì)交換偏置效應(yīng)的調(diào)制具有重要的研究意義。當(dāng)施加電場時(shí)，電場會(huì)通過多種方式影響鐵磁層與反鐵磁層之間的交換偏置作用。電場作用下，電子的注入（或釋放）會(huì)改變鐵磁層與反鐵磁層界面處的電子結(jié)構(gòu)。在一些多鐵復(fù)合薄膜體系中，鐵電層的極化狀態(tài)改變會(huì)導(dǎo)致電子在界面處的重新分布。當(dāng)鐵電層的極化方向發(fā)生改變時(shí)，電子可能會(huì)從鐵電層注入到鐵磁層與反鐵磁層的界面處，或者從界面處釋放到鐵電層中。這種電子的注入或釋放會(huì)改變界面處的電子云密度和電子態(tài)分布，進(jìn)而影響鐵磁層與反鐵磁層之間的交換耦合作用。如果電子注入導(dǎo)致界面處的電子云密度增加，可能會(huì)增強(qiáng)鐵磁層與反鐵磁層之間的交換耦合作用，使得交換偏置場增大；反之，電子釋放可能會(huì)減弱這種交換耦合作用，導(dǎo)致交換偏置場減小。電場還會(huì)影響鐵磁層電子結(jié)構(gòu)在鐵電極化作用下的重新分布。鐵電層的極化狀態(tài)改變會(huì)產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)電場，這個(gè)內(nèi)電場會(huì)與鐵磁層的電子相互作用，使得鐵磁層內(nèi)的電子軌道發(fā)生畸變，電子云分布發(fā)生改變。這種電子結(jié)構(gòu)的重新分布會(huì)影響鐵磁層內(nèi)原子磁矩之間的交換相互作用，進(jìn)而改變鐵磁層的磁性，包括交換偏置場和飽和磁矩。當(dāng)鐵電層的極化方向改變時(shí)，內(nèi)電場的方向和大小也會(huì)發(fā)生變化，從而對(duì)鐵磁層電子結(jié)構(gòu)的影響也會(huì)不同，導(dǎo)致交換偏置場和飽和磁矩發(fā)生相應(yīng)的變化。3.2.2實(shí)例分析以Pb(Zr?.??Ti?.??)O?/CoFe?O?/NiO多鐵異質(zhì)結(jié)為例，該異質(zhì)結(jié)展現(xiàn)出了明顯的電場對(duì)交換偏置效應(yīng)的調(diào)控作用。通過溶膠-凝膠及快速退火工藝在Pt/Ti/SiO?/Si襯底上成功制備出該多鐵異質(zhì)結(jié)。在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)制備的異質(zhì)結(jié)進(jìn)行場冷處理后，測量其在不同極化狀態(tài)下的M-H曲線，結(jié)果顯示該異質(zhì)結(jié)具有明顯的交換偏置現(xiàn)象。在初始態(tài)時(shí)，交換偏置場Heb=-75Oe，這表明在未施加電場時(shí)，由于CoFe?O?鐵磁層與NiO反鐵磁層之間的界面交換耦合作用，已經(jīng)產(chǎn)生了一定的交換偏置效應(yīng)。當(dāng)外加電場方向由Pt指向PZT層，持續(xù)時(shí)間為10ms，電壓為+5.0V時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示飽和磁矩Ms由初始態(tài)的175emu/cm3增加到217emu/cm3，而交換偏置場Heb由初始態(tài)的-75Oe減小到-12.5Oe。這說明正向電場的施加使得鐵電層PZT的極化狀態(tài)改變，通過界面作用，影響了CoFe?O?與NiO界面處的電子結(jié)構(gòu)和磁矩排列，從而導(dǎo)致飽和磁矩增大，交換偏置場減小?？赡艿脑蚴钦螂妶鰧?dǎo)致電子注入到界面處，改變了界面處的電子云分布，增強(qiáng)了鐵磁層內(nèi)原子磁矩之間的相互作用，使得飽和磁矩增大；同時(shí)，電子的注入也改變了鐵磁層與反鐵磁層之間的交換耦合作用，減弱了反鐵磁層對(duì)鐵磁層磁矩的釘扎作用，導(dǎo)致交換偏置場減小。當(dāng)外加電場方向由PZT層指向Pt，持續(xù)時(shí)間為10ms，電壓為-5.0V時(shí)，Ms減小到137emu/cm3，而Heb增加到-287.5Oe。這表明反向電場的施加產(chǎn)生了與正向電場相反的效果，使得飽和磁矩減小，交換偏置場增大。這可能是由于反向電場使得電子從界面處釋放，導(dǎo)致鐵磁層內(nèi)原子磁矩之間的相互作用減弱，飽和磁矩減小；同時(shí)，電子的釋放增強(qiáng)了鐵磁層與反鐵磁層之間的交換耦合作用，增大了反鐵磁層對(duì)鐵磁層磁矩的釘扎作用，使得交換偏置場增大。對(duì)交換偏置場及飽和磁矩隨循環(huán)次數(shù)及時(shí)間的變化進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明該調(diào)制具有極佳的穩(wěn)定性和非易失性。在多次循環(huán)施加不同方向和大小的電場后，交換偏置場和飽和磁矩仍然能夠穩(wěn)定地響應(yīng)電場的變化，保持相應(yīng)的數(shù)值，這為其在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性提供了有力的保障。在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域，如果利用這種電場對(duì)交換偏置效應(yīng)的穩(wěn)定調(diào)控特性，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠寫入和讀取，提高存儲(chǔ)設(shè)備的性能和可靠性。3.2.3作用機(jī)制分析為了深入理解電場調(diào)控交換偏置效應(yīng)的物理機(jī)制，需要從多個(gè)角度進(jìn)行分析。通過對(duì)電容測量結(jié)果的分析，可以了解電場作用下鐵電層與鐵磁層之間的電荷轉(zhuǎn)移情況。在Pb(Zr?.??Ti?.??)O?/CoFe?O?/NiO多鐵異質(zhì)結(jié)中，電容的變化與電場的施加密切相關(guān)。當(dāng)施加電場時(shí)，鐵電層PZT的極化狀態(tài)改變，會(huì)導(dǎo)致界面處電荷的重新分布，這種電荷的重新分布會(huì)影響電容的大小。通過測量電容隨電場的變化曲線，可以間接推斷出電荷在界面處的轉(zhuǎn)移情況，進(jìn)而分析其對(duì)交換偏置效應(yīng)的影響。對(duì)異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)的分析也是理解作用機(jī)制的關(guān)鍵。在多鐵異質(zhì)結(jié)中，鐵電層和鐵磁層的能帶結(jié)構(gòu)在電場作用下會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)施加電場時(shí)，鐵電層的極化狀態(tài)改變會(huì)產(chǎn)生內(nèi)電場，這個(gè)內(nèi)電場會(huì)影響鐵磁層的能帶結(jié)構(gòu)。鐵電層的內(nèi)電場可能會(huì)使鐵磁層的導(dǎo)帶和價(jià)帶發(fā)生移動(dòng)，改變電子在能帶中的分布情況。這種能帶結(jié)構(gòu)的變化會(huì)影響鐵磁層內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)和相互作用，進(jìn)而影響鐵磁層與反鐵磁層之間的交換耦合作用。如果鐵電層的內(nèi)電場使得鐵磁層的導(dǎo)帶和價(jià)帶發(fā)生移動(dòng)，導(dǎo)致電子更容易在界面處與反鐵磁層發(fā)生相互作用，那么就會(huì)增強(qiáng)交換偏置效應(yīng)；反之，如果內(nèi)電場使得電子與反鐵磁層的相互作用減弱，就會(huì)減弱交換偏置效應(yīng)。綜合電容測量結(jié)果和異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)的分析，可以得出電場調(diào)控交換偏置效應(yīng)的機(jī)制主要源于電場作用下電子的注入（或釋放），以及CoFe?O?層電子結(jié)構(gòu)在PZT鐵電極化作用下的重新分布。這兩個(gè)因素共同作用，改變了CoFe?O?層交換作用的強(qiáng)弱，進(jìn)而改變了飽和磁矩和交換偏置場的大小。在正向電場作用下，電子注入到界面處，改變了CoFe?O?層的電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了鐵磁層內(nèi)原子磁矩之間的相互作用，使得飽和磁矩增大；同時(shí)，電子的注入減弱了鐵磁層與反鐵磁層之間的交換耦合作用，導(dǎo)致交換偏置場減小。而在反向電場作用下，電子從界面處釋放，使得CoFe?O?層的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生相反的變化，導(dǎo)致飽和磁矩減小，交換偏置場增大。3.3電荷調(diào)控機(jī)制3.3.1載流子濃度與磁性變化在多鐵復(fù)合薄膜中，電荷調(diào)控機(jī)制是實(shí)現(xiàn)逆磁電耦合效應(yīng)的關(guān)鍵機(jī)制之一，其核心在于鐵電極化方向的改變對(duì)載流子濃度的調(diào)節(jié)，進(jìn)而影響材料的磁性。當(dāng)在多鐵復(fù)合薄膜的鐵電層上施加電場時(shí)，鐵電層的極化方向會(huì)發(fā)生改變。以鋯鈦酸鉛（PZT）鐵電層為例，電場的作用使得PZT內(nèi)部的電偶極子重新排列，從而改變其極化方向。這種極化方向的改變會(huì)在鐵電層與相鄰的磁性層之間的界面處產(chǎn)生一系列電荷相關(guān)的變化。從微觀層面來看，鐵電極化方向的改變會(huì)導(dǎo)致界面處電荷的重新分布。當(dāng)極化方向改變時(shí)，鐵電層表面的束縛電荷也會(huì)相應(yīng)改變，從而在界面處形成電荷集聚層或耗散層。這種電荷分布的變化會(huì)通過場效應(yīng)進(jìn)一步影響磁性層中的載流子濃度。在Co:TiO?/Pb(Zr?.??Ti?.??)O?復(fù)合薄膜中，PZT層中鐵電極化方向的改變會(huì)調(diào)節(jié)Co:TiO?中載流子的濃度。當(dāng)PZT層的鐵電極化由PZT層指向Co:TiO?層時(shí)，由于鐵電場效應(yīng)，Co:TiO?層的載流子濃度增加；反之，當(dāng)鐵電極化方向翻轉(zhuǎn)，由Co:TiO?層指向PZT層時(shí)，Co:TiO?層的載流子濃度降低。載流子濃度的變化對(duì)磁性有著顯著的影響。在Co:TiO?薄膜中，其磁性源于束縛磁極子。當(dāng)載流子濃度增加時(shí)，束縛磁極子之間的相互作用會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致飽和磁矩減??；而當(dāng)載流子濃度降低時(shí)，飽和磁矩則會(huì)增大。這是因?yàn)檩d流子的存在會(huì)影響電子的自旋狀態(tài)和相互作用，進(jìn)而改變磁性。在一些磁性材料中，載流子的濃度變化會(huì)導(dǎo)致電子云的分布發(fā)生改變，使得磁性原子之間的交換相互作用發(fā)生變化，從而影響材料的磁性。3.3.2實(shí)例分析以Co:TiO?/Pb(Zr?.??Ti?.??)O?復(fù)合薄膜為例，通過溶膠-凝膠及快速退火工藝在Pt/Ti/SiO?/Si襯底上制備出該復(fù)合薄膜，其具有室溫鐵磁性。在實(shí)驗(yàn)中，利用電場調(diào)節(jié)PZT層鐵電極化的方式，實(shí)現(xiàn)了鐵電極化對(duì)Co:TiO?薄膜磁性的有效調(diào)控，室溫下對(duì)飽和磁矩的調(diào)節(jié)幅度可達(dá)8%。當(dāng)PZT層中鐵電極化方向由PZT層指向Co:TiO?層時(shí)，由于鐵電場效應(yīng)，Co:TiO?層的載流子濃度增加，此時(shí)Co:TiO?薄膜的飽和磁矩較小；而當(dāng)鐵電極化方向翻轉(zhuǎn)，由Co:TiO?層指向PZT層時(shí)，Co:TiO?層的載流子濃度降低，飽和磁矩增大。再以Mn:ZnO/Pb(Zr?.??Ti?.??)O?復(fù)合薄膜為例，同樣采用溶膠-凝膠及快速退火工藝在Pt/Ti/SiO?/Si襯底上制備。該復(fù)合薄膜利用界面極化耦合實(shí)現(xiàn)了電場對(duì)電阻及磁性的可控調(diào)節(jié)。當(dāng)PZT層中的鐵電極化由PZT層指向Mn:ZnO層時(shí)，由于鐵電場效應(yīng)，Mn:ZnO層的載流子濃度增加，且在界面處形成電荷集聚層，界面勢(shì)壘降低，整個(gè)薄膜的電阻主要由PZT層貢獻(xiàn)，此時(shí)薄膜處于低阻態(tài)，且其飽和磁矩也較小。而當(dāng)PZT層中的鐵電極化翻轉(zhuǎn)，由Mn:ZnO層指向PZT層時(shí)，電荷耗盡層在界面處形成，且界面勢(shì)壘增加，由于鐵電場效應(yīng)，Mn:ZnO層的載流子濃度降低，此時(shí)薄膜處于高阻態(tài)，其飽和磁矩也隨之變大。而且電場對(duì)電阻的調(diào)控具有很好的可重復(fù)性，電場對(duì)磁性的調(diào)制在10-300K的溫度范圍內(nèi)均有效，且300K時(shí)電場對(duì)飽和磁矩的調(diào)節(jié)幅度可達(dá)270%。3.3.3微觀機(jī)制探討從微觀機(jī)制角度分析，Mn:ZnO和Co:TiO?的磁性均源于束縛磁極子。在這類材料中，束縛磁極子的形成與載流子濃度密切相關(guān)。當(dāng)載流子濃度發(fā)生變化時(shí)，束縛磁極子之間的相互作用也會(huì)改變，從而導(dǎo)致材料磁性的變化。在Co:TiO?中，當(dāng)PZT層鐵電極化方向改變使得Co:TiO?層載流子濃度增加時(shí)，載流子與束縛磁極子之間的相互作用增強(qiáng)，使得部分束縛磁極子的自旋方向發(fā)生改變，導(dǎo)致整體的飽和磁矩減小；反之，當(dāng)載流子濃度降低時(shí)，束縛磁極子之間的相互作用減弱，自旋方向更加有序，飽和磁矩增大。在Mn:ZnO/Pb(Zr?.??Ti?.??)O?復(fù)合薄膜中，電阻開關(guān)效應(yīng)源于Mn:ZnO/PZT界面勢(shì)壘的變化及Mn:ZnO/PZT界面處電子聚集層（或耗散層）的產(chǎn)生。當(dāng)PZT層的鐵電極化由PZT層指向Mn:ZnO層時(shí)，Mn:ZnO層的載流子濃度增加，這不僅導(dǎo)致磁性變化，還使得在界面處形成電荷集聚層，界面勢(shì)壘降低，薄膜處于低阻態(tài)；而當(dāng)鐵電極化翻轉(zhuǎn)，Mn:ZnO層的載流子濃度降低，電荷耗盡層在界面處形成，界面勢(shì)壘增加，薄膜處于高阻態(tài)。這種電荷調(diào)控機(jī)制下，鐵電極化方向的改變通過影響載流子濃度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合薄膜電阻和磁性的有效調(diào)控，為多鐵復(fù)合薄膜在磁電存儲(chǔ)、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。3.4多種機(jī)制的協(xié)同作用在多鐵復(fù)合薄膜中，應(yīng)力作用、交換偏置效應(yīng)和電荷調(diào)控機(jī)制并非孤立存在，它們之間存在著復(fù)雜的協(xié)同作用，共同影響著逆磁電耦合效應(yīng)，為實(shí)現(xiàn)高性能的多鐵復(fù)合薄膜提供了更多的可能性和調(diào)控手段。應(yīng)力作用與交換偏置效應(yīng)之間存在著相互關(guān)聯(lián)。當(dāng)鐵電層的應(yīng)力傳遞到鐵磁層時(shí)，會(huì)改變鐵磁層的晶格結(jié)構(gòu)，這種晶格結(jié)構(gòu)的變化會(huì)影響鐵磁層與反鐵磁層界面處的電子云分布和磁矩排列，進(jìn)而影響交換偏置效應(yīng)。在一些多鐵復(fù)合薄膜體系中，應(yīng)力作用導(dǎo)致鐵磁層晶格的拉伸或壓縮，會(huì)改變鐵磁層與反鐵磁層之間的交換耦合強(qiáng)度，使得交換偏置場發(fā)生變化。如果應(yīng)力作用使得鐵磁層與反鐵磁層界面處的原子間距增大，可能會(huì)減弱交換耦合作用，導(dǎo)致交換偏置場減??；反之，原子間距減小則可能增強(qiáng)交換耦合作用，增大交換偏置場。應(yīng)力作用還可能影響鐵磁層內(nèi)磁疇的結(jié)構(gòu)和分布，間接影響交換偏置效應(yīng)。由于應(yīng)力作用改變了鐵磁層的磁各向異性，使得磁疇的取向和壁移動(dòng)特性發(fā)生變化，這會(huì)進(jìn)一步影響鐵磁層與反鐵磁層之間的相互作用，從而對(duì)交換偏置效應(yīng)產(chǎn)生影響。應(yīng)力作用與電荷調(diào)控機(jī)制也存在協(xié)同效應(yīng)。應(yīng)力作用下鐵電層和鐵磁層的晶格變化會(huì)導(dǎo)致界面處電荷的重新分布，從而影響電荷調(diào)控機(jī)制。當(dāng)鐵電層受到應(yīng)力作用發(fā)生壓電效應(yīng)時(shí)，會(huì)在鐵電層與鐵磁層的界面處產(chǎn)生電荷集聚或耗散。這種電荷分布的變化會(huì)通過場效應(yīng)影響鐵磁層中的載流子濃度，進(jìn)而改變鐵磁層的磁性。在一些多鐵復(fù)合薄膜中，應(yīng)力作用使得鐵電層產(chǎn)生的電荷在界面處積累，形成一個(gè)內(nèi)電場，這個(gè)內(nèi)電場會(huì)影響鐵磁層中電子的運(yùn)動(dòng)和分布，導(dǎo)致載流子濃度發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力作用下磁性的進(jìn)一步調(diào)控。反之，電荷調(diào)控機(jī)制也可能會(huì)影響應(yīng)力作用的效果。當(dāng)通過電場改變鐵磁層中的載流子濃度時(shí)，載流子與晶格之間的相互作用會(huì)發(fā)生變化，可能會(huì)導(dǎo)致晶格的彈性常數(shù)發(fā)生改變，從而影響應(yīng)力在鐵磁層中的傳遞和分布，進(jìn)一步影響應(yīng)力作用對(duì)磁性的調(diào)控效果。交換偏置效應(yīng)與電荷調(diào)控機(jī)制同樣存在相互作用。電場對(duì)交換偏置效應(yīng)的調(diào)制過程中，電子的注入或釋放以及鐵磁層電子結(jié)構(gòu)的重新分布，都會(huì)導(dǎo)致電荷分布的變化，進(jìn)而影響電荷調(diào)控機(jī)制。在Pb(Zr?.??Ti?.??)O?/CoFe?O?/NiO多鐵異質(zhì)結(jié)中，電場作用下電子的注入或釋放改變了CoFe?O?與NiO界面處的電子結(jié)構(gòu)，這種電子結(jié)構(gòu)的變化不僅影響了交換偏置效應(yīng)，還會(huì)導(dǎo)致界面處電荷分布的改變。如果電子注入使得界面處的電子云密度增加，會(huì)形成電荷集聚層，通過場效應(yīng)影響鐵磁層中的載流子濃度，進(jìn)而影響電荷調(diào)控機(jī)制下的磁性變化。反之，電荷調(diào)控機(jī)制中載流子濃度的變化也會(huì)影響交換偏置效應(yīng)。當(dāng)載流子濃度改變時(shí)，會(huì)影響鐵磁層內(nèi)原子磁矩之間的相互作用，進(jìn)而改變鐵磁層與反鐵磁層之間的交換耦合作用，導(dǎo)致交換偏置場和飽和磁矩發(fā)生變化。多種機(jī)制的協(xié)同作用對(duì)逆磁電耦合效應(yīng)的綜合影響是復(fù)雜而顯著的。在實(shí)際的多鐵復(fù)合薄膜體系中，這三種機(jī)制可能同時(shí)發(fā)揮作用，相互促進(jìn)或相互制約。通過合理設(shè)計(jì)和調(diào)控多鐵復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)和成分，可以充分利用這些機(jī)制的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆磁電耦合效應(yīng)的有效調(diào)控。在制備多鐵復(fù)合薄膜時(shí)，可以選擇合適的鐵電相和鐵磁相材料，以及調(diào)整它們之間的界面結(jié)構(gòu)和厚度，來優(yōu)化應(yīng)力傳遞、交換偏置效應(yīng)和電荷調(diào)控機(jī)制的協(xié)同效果。通過控制鐵電層和鐵磁層的晶格匹配度，可以增強(qiáng)應(yīng)力傳遞的效率，同時(shí)優(yōu)化界面處的電子結(jié)構(gòu)，促進(jìn)交換偏置效應(yīng)和電荷調(diào)控機(jī)制的協(xié)同作用，從而提高多鐵復(fù)合薄膜的逆磁電耦合性能，為其在磁電傳感器、存儲(chǔ)器等領(lǐng)域的應(yīng)用提供更有力的支持。四、多鐵復(fù)合薄膜中逆磁電耦合效應(yīng)的調(diào)控方法4.1外場調(diào)控4.1.1電場調(diào)控通過施加不同強(qiáng)度和方向的電場來調(diào)控多鐵復(fù)合薄膜的逆磁電耦合效應(yīng)，是一種常見且有效的方法。在多鐵復(fù)合薄膜中，鐵電相和鐵磁相之間存在著緊密的耦合關(guān)系，電場的作用可以通過多種機(jī)制影響這種耦合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性的調(diào)控。當(dāng)在多鐵復(fù)合薄膜的鐵電相上施加電場時(shí)，鐵電相的極化狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變。以鋯鈦酸鉛（PZT）鐵電相為例，電場的施加會(huì)使PZT內(nèi)部的電偶極子重新排列，導(dǎo)致極化方向的改變。這種極化狀態(tài)的改變會(huì)通過應(yīng)力耦合、交換偏置效應(yīng)和電荷調(diào)控等機(jī)制對(duì)鐵磁相的磁性產(chǎn)生影響。在應(yīng)力耦合機(jī)制中，由于PZT的壓電效應(yīng)，極化狀態(tài)的改變會(huì)使其產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)電場使PZT的極化方向反轉(zhuǎn)時(shí)，PZT會(huì)發(fā)生相應(yīng)的形變，產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力會(huì)通過鐵電相和鐵磁相之間的界面?zhèn)鬟f到鐵磁相，使鐵磁相的晶格發(fā)生畸變。在PZT/CoFe?O?復(fù)合薄膜中，PZT產(chǎn)生的應(yīng)力傳遞到CoFe?O?鐵磁相后，會(huì)改變CoFe?O?的晶格結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其磁性能。具體表現(xiàn)為，應(yīng)力會(huì)改變CoFe?O?的磁各向異性，使磁疇的取向和壁移動(dòng)特性發(fā)生變化，從而改變矯頑場。應(yīng)力還可能導(dǎo)致CoFe?O?的飽和磁矩發(fā)生改變，這是因?yàn)榫Ц窕儠?huì)影響鐵磁相內(nèi)原子磁矩之間的相互作用。電場對(duì)交換偏置效應(yīng)的調(diào)控也具有重要意義。在含有鐵磁層和反鐵磁層的多鐵復(fù)合薄膜中，電場作用下電子的注入（或釋放）以及鐵磁層電子結(jié)構(gòu)在鐵電極化作用下的重新分布，會(huì)改變鐵磁層與反鐵磁層之間的交換偏置場和飽和磁矩。在Pb(Z