[发明专利]多铁性Fe:BaTiO3薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多铁性材料，具体地说就是一种多铁性Fe:BaTiO₃薄膜材料，属于多铁性材料的制备技术领域。

背景技术

多铁性材料(multiferroics)是一类同时具有(反)铁电、(反、亚)铁磁、铁弹中两者或两者以上铁性的材料，更重要的是它们之间存在耦合，具有丰富的物理内涵(多种有序度共存，多个自由度关联与耦合)。目前人们通常研究的是磁电材料，在此种材料中不仅铁电性和铁磁性共存，而且存在磁电耦合，可以实现用电场控制磁化强度或者用磁场控制电极化强度，从而为多功能材料的设计及应用提供更多的自由度，其在多态存储器、高灵敏度传感器等方面具有广阔的潜在应用前景。BaTiO₃是一种广泛研究的无Pb铁电材料，由于3d过渡金属(Cr、Mn、Fe、Co、Ni等)在离子半径和价态上与Ti相近，从而较容易把其掺杂到BaTiO₃晶格中而使材料产生铁磁性，2009年B.Xu，K.B.Yin等人在Physical Review B上发表的文章Room-temperature ferromagnetism and ferroelectricity in Fe-doped BaTiO₃中指出用密度泛函理论计算当Fe替代BaTiO₃中的Ti时可以产生3.05μB/Fe的磁矩。然而大部分实验报道Fe掺BaTiO₃样品在室温下是六角结构的，Fe³⁺的掺入有利于把BaTiO₃的六角相稳定在室温，比

如文献S.Ray，P.Mahadevan，S.Mandal，S.R.Krishnakumar，C.S.Kuroda，T.Sasaki，T.Taniyama，M.Itoh，Phys.Rev.B 77(2008)104416和F.Lin，D.Jiang，X.Ma，W.Shi，J.Magn.Magn.Mater.320(2008)691，而六角的BaTiO₃已经丧失了铁电性，也就是说Fe的掺入使样品具有了室温铁磁性，但是使其丧失了室温铁电性。即使文献B.Xu，K.B.Yin，J.Lin，Y.D.Xia，X.G.Wan，J.Yin，X.J.Bai，J.Du，Z.G.Liu，Phys.Rev.B 79(2009)134109中得到了同时具有室温铁磁性和铁电性的Fe掺BaTiO₃样品，但是他们未观察到任何的耦合现象。这些都限制了Fe掺BaTiO₃作为多铁性材料或磁电材料在多态存储器、高灵敏度传感器等方面的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多铁性Fe:BaTiO₃薄膜材料，此种材料不仅同时具有室温铁电性和铁磁性，而且铁电性和铁磁性之间存在耦合，其具有潜在的应用前景。

本发明的目的还在于提供一种多铁性Fe:BaTiO₃薄膜材料的制备方法。

本发明是这样实现的：本发明采用脉冲激光沉积和多功能离子注入与离子束溅射系统制备出了同时具有室温铁电性和铁磁性的Fe:BaTiO₃薄膜，并且二者之间存在耦合，其有望应用在多态存储器、高灵敏度传感器等多功能器件方面。

具体说，本发明的多铁性薄膜材料的表达式是Fe:BaTiO₃，其中，1×10¹⁶cm^-2＜Fe的注入剂量＜8×10¹⁶cm^-2。

本发明的多铁性Fe:BaTiO₃薄膜材料的制备方法包括以下步骤：

(1)利用脉冲激光沉积设备在低阻Si(100)基底上生长一层BaTiO₃薄膜，方法是：先抽真空，使腔室本底真空度优于3×10^-4Pa，然后充入氧气，使氧气压强保持在13Pa，基底加热使温度保持在700℃，然后打开248nm的KrF准分子激光器采用恒压模式生长薄膜，电压为20kV，对应能量为250mJ，所用频率为5Hz；