1 绪论
1.1 引言
自1961年法国物理学家居里发现多铁性单相材料Cr2O3的磁电效应以来[1]，磁电材料的研究和开发便一直是科学研究工作者的一个重要话题。这种具有磁-电相互转换特性的功能材料，被认为在信息存储和信号处理应用中拥有极大的潜力。后经过进一步的探索，科学家们又陆续发现了一些类似的单相磁电材料BiFeO3、Ti2O3、YMnO3和方硼石等，但却没能将这些单相磁电材料应用到实际的器件构造中。其主要原因是大量的研究工作证实了单相磁电材料的居里温度大都远远低于室温，且只有在居里温度以下时这些材料才表现出微弱的磁电效应[2]。当这些单相材料处于温度高于其居里温度之上的环境时，便没有了磁电效应，这就极大地限制了这类材料的实际使用价值。在这种情况下，科学家们迫切希望开发出一类比单相材料更具明显磁电耦合效应的新材料[3]。
1972年，Van Suchtelen第一次制备出了磁电复合材料[4]，这类磁电复合材料是由磁致伸缩材料和压电材料复合而成，它既能在外加磁场的作用下产生电介质的极化，也可在外加电场的诱导下产生磁致伸缩相的磁化，其磁-电转化功能大大强于单相磁电材料，这项强大的磁-电转换功能很大程度上符合了实际应用的需求。在近数十年的发展之后，磁电复合材料的开发取得了较大的进步，迄今为止磁电复合材料已被广泛应用在磁电传感、滤波器、变压器、换能器和信息存储等许多领域。
与此同时值得关注的是，随着信息技术和材料科学的快速发展，电子器件在微型化和集成化程度上的要求不断提高，电子信息功能材料的结构和尺寸在近几十年来也受到越来越多的关注。为了能将磁电材料的应用更好地与MEMS工艺兼容，满足不断提升的集成电路对微型化和集成化的要求，对磁电材料薄膜尺寸的研究和开发也成为了目前信息科学研究领域的热门话题。
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3 PZT 薄膜的制备与压电性能表征............................26............................
1.2 层状复合材料磁电耦合产生机理
在外加磁场作用下产生电介质极化的现象，或在外加电场诱导下产生磁极化的现象，称为材料的磁电效应[5]。层状磁电复合材料是由磁致伸缩材料和压电材料通过层合方式组成的，磁致伸缩材料的性能可以实现磁场能-机械能的转换，而压电材料可以实现电场能-机械能的转换，两者之间通过应力的传递实现单相特性的复合，使得复合材料直接具备了磁-电的转换功能。根据乘积效应理论，层状磁电复合薄膜的磁电效应是由该结构的磁致伸缩层和压电层各自单相特性的乘积体现。若将磁致伸缩层的压磁效应用 dS/dH 表示，将压电层的压电效应用 dE/dS 表示，则二者构成的层状磁电复合薄膜材料中的磁电效应可以表示为：
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2 CoNi/PZT 层状复合结构的磁电效应解析
2.1 CoNi/PZT/CoNi 对称层状结构 DME 模型
层状磁电复合材料的磁致伸缩层磁化方向或压电层的极化方向不同，所表现出来的磁电耦合系数取值不同。G.Srinivasan 等人通过实验研究发现了层状磁电复合薄膜纵向磁电耦合效应比横向磁电耦合效应具有更高的磁电耦合系数[38,39]。已有的研究很多都是针对于 T-T、L-L、T-L 这三种组合模式[40-42]，对 L-T 组合模式下的磁电耦合效应的研究则很有价值；且大量的层状磁电复合材料的理论分析模型都建立在磁致伸缩层和压电层长和宽均相等的基础之上，只考虑厚度分数对磁电耦合系数的影响。为了对几何效应相关的磁电耦合系数进行理论分析，以达到更加全面理解CoNi/PZT 层状磁电复合材料的目的。本文以力学平衡法为基础，考虑几何效应，建立了 CoNi/PZT/CoNi 三层复合结构 ME 耦合的解析模型，该模型不仅可以对两相材料参数对磁电耦合系数的影响进行分析，而且还可以对两相材料不同几何尺寸对磁电耦合系数的影响进行分析。
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2.2 磁电耦合系数的求解表达式
通过将自由边界条件下的力学平衡条件关系式代入材料的本构方程，并对方程组求解，可以得到层状复合材料的磁电电压系数与各项参数关系的表达式。
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在外加磁场作用下产生电介质极化的现象，或在外加电场诱导下产生磁极化的现象，称为材料的磁电效应[5]。层状磁电复合材料是由磁致伸缩材料和压电材料通过层合方式组成的，磁致伸缩材料的性能可以实现磁场能-机械能的转换，而压电材料可以实现电场能-机械能的转换，两者之间通过应力的传递实现单相特性的复合，使得复合材料直接具备了磁-电的转换功能。根据乘积效应理论，层状磁电复合薄膜的磁电效应是由该结构的磁致伸缩层和压电层各自单相特性的乘积体现。若将磁致伸缩层的压磁效应用 dS/dH 表示，将压电层的压电效应用 dE/dS 表示，则二者构成的层状磁电复合薄膜材料中的磁电效应可以表示为：
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2 CoNi/PZT 层状复合结构的磁电效应解析
2.1 CoNi/PZT/CoNi 对称层状结构 DME 模型
层状磁电复合材料的磁致伸缩层磁化方向或压电层的极化方向不同，所表现出来的磁电耦合系数取值不同。G.Srinivasan 等人通过实验研究发现了层状磁电复合薄膜纵向磁电耦合效应比横向磁电耦合效应具有更高的磁电耦合系数[38,39]。已有的研究很多都是针对于 T-T、L-L、T-L 这三种组合模式[40-42]，对 L-T 组合模式下的磁电耦合效应的研究则很有价值；且大量的层状磁电复合材料的理论分析模型都建立在磁致伸缩层和压电层长和宽均相等的基础之上，只考虑厚度分数对磁电耦合系数的影响。为了对几何效应相关的磁电耦合系数进行理论分析，以达到更加全面理解CoNi/PZT 层状磁电复合材料的目的。本文以力学平衡法为基础，考虑几何效应，建立了 CoNi/PZT/CoNi 三层复合结构 ME 耦合的解析模型，该模型不仅可以对两相材料参数对磁电耦合系数的影响进行分析，而且还可以对两相材料不同几何尺寸对磁电耦合系数的影响进行分析。
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2.2 磁电耦合系数的求解表达式
通过将自由边界条件下的力学平衡条件关系式代入材料的本构方程，并对方程组求解，可以得到层状复合材料的磁电电压系数与各项参数关系的表达式。
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3.1 磁控溅射仪介绍...................................26
3.2 PZT 薄膜基本溅射工艺..............................27
4 CoNi/PZT 复合薄膜的制备与性能表征....................42
4.1 CoNi 薄膜的制备及表征.........................42
4.2 CoNi/PZT 复合薄膜的制备与表征...............................45
5 总结与展望..............................50
4 CoNi/PZT 复合薄膜的制备与性能表征
4.1 CoNi 薄膜的制备及表征
（1）靶材和衬底的选择：以单晶 Si (100)基片作为衬底，为了使 CoNi 薄膜较好的附着于 Si (100)基片上，CoNi 薄膜的制备仍然选择 Pt 作为底电极和缓冲层，CoNi的靶材选择中诺新材科技有限公司合作制得的 Co43Ni57。以单晶 Si (100)基片作为衬底，将基片按照同样的流程和方法进行清洗、安装。底电极 Pt 层溅射制备工艺参数为本底真空度 2.5×10-5 Pa 以上，溅射气压为 1.0 Pa，溅射功率为 120 W，溅射时间为15 min。将制备好的底电极 Pt 薄膜放入进样室的退火炉中，在 300℃下退火 30min，待冷却后再送回溅射室，这样做的好处是可以使溅射制备的 CoNi 薄膜具有更好的附着度。由于 CoNi 薄膜自身具有导电性，CoNi 薄膜的制备也就不需要另外预留台阶。而为了测量制得 CoNi 薄膜的厚度，我们只需在同一组基片中选择一个预留台阶。
（2）CoNi 薄膜的溅射制备：以同样的方式抽真空至本底真空度 5×10-5 Pa 以上，预溅射 5min 去除 CoNi 靶材表面可能附着的杂质，然后开始溅射沉积 CoNi 薄膜。溅射气压为 1.0 Pa，Ar 流量为 26ml/min，溅射功率设为 120 W、溅射时间为 50 min。采用台阶仪测试制得的 CoNi 膜的厚度为 311nm。由此，我们可以计算得到在该工艺参数下 CoNi 层溅射沉积的速率约为 6.22nm/min。
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5 总结与展望
本文通过理论分析与实验测试相结合的方式探究了 CoNi/PZT 层状磁电复合材料的实验制备及其性能分析。首先根据弹性理论建立了 CoNi/PZT/CoNi 对称层状结构的磁电耦合理论模型，并将它等效为 CoNi/PZT 双层结构，通过对模型构建力学平衡条件方程和材料的本构方程，求解得到磁电耦合系数与各项相关参数之间的关系表达式。并以此为基础利用仿真软件 Matlab 对该模型的磁电耦合系数与材料参数、磁致伸缩/压电层几何尺寸的关系进行数值仿真分析。然后以磁控溅射法为基础探究实验制备 PZT 薄膜、CoNi 薄膜以及 CoNi/PZT 复合薄膜的相关工艺参数对薄膜性能的影响。本文的研究得到以下结论：
5 总结与展望
本文通过理论分析与实验测试相结合的方式探究了 CoNi/PZT 层状磁电复合材料的实验制备及其性能分析。首先根据弹性理论建立了 CoNi/PZT/CoNi 对称层状结构的磁电耦合理论模型，并将它等效为 CoNi/PZT 双层结构，通过对模型构建力学平衡条件方程和材料的本构方程，求解得到磁电耦合系数与各项相关参数之间的关系表达式。并以此为基础利用仿真软件 Matlab 对该模型的磁电耦合系数与材料参数、磁致伸缩/压电层几何尺寸的关系进行数值仿真分析。然后以磁控溅射法为基础探究实验制备 PZT 薄膜、CoNi 薄膜以及 CoNi/PZT 复合薄膜的相关工艺参数对薄膜性能的影响。本文的研究得到以下结论：
（1）通过数值仿真分析，得到了磁电耦合系数与磁致伸缩层/压电层的几何尺寸分数及压电层 PZT 的横向压电系数以及磁致伸缩层 CoNi 层的纵向压磁系数之间的关系。磁电耦合系数αE 的值先随压电层厚度分数 υ 取值的变大而增大到一个极大值 αEmax 处，然后随 υ 取值的进一步增大而逐渐减小，且 αE 取值几乎总在 υ 的取值接近 0.4 左右时取得最大值；当压电层的宽度分数 ω = 0.5 时，长度分数 ξ 取值从 0.9 减小 0.1 到，αEmax 取值大小的变化与压电层长度分数 ξ= 0.5 时，宽度分数ω 取值从 0.9 变化到 0.1 时，αEmax 的取值大小的变化相比，相对较小；由此可得到改变磁致伸缩层的宽度对磁电耦合系数的影响比改变其长度要更为显著。
（2）对基于磁控溅射法制备 PZT 的基准溅射工艺及实验步骤进行了探究，基于良好的晶格匹配度和相近的热膨胀系数，选择 Pt 作为底电极，通过对比实验得到底电极 Pt 层在 300℃热处理 30min 后，溅射沉积 PZT 薄膜的附着性更好，表面较为致密。另外对不同热处理温度下退火条件对 PZT 薄膜微观结构的影响进行了实验探究，通过 XRD、AFM、SEM 等手段分析得到 650℃退火 5min 得到的 PZT 薄膜结晶良好，表面粗糙度较小，晶胞取向主要为（111）。通过压电力显微镜测试得到制备的 PZT 薄膜样品具有良好压电性能。
参考文献（略）
参考文献（略）