鈮酸鋰基高品質磁電複合材料製備及性能調控

《鈮酸鋰基高品質磁電複合材料製備及性能調控》是依託清華大學，由馬靜擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：鈮酸鋰基高品質磁電複合材料製備及性能調控
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：馬靜
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

在多鐵性磁電複合材料領域，發展具有更高磁電耦合係數和磁場靈敏度的材料，對磁電複合材料在磁感測器中的套用非常重要。將具有極高靈敏度的壓電感測器與磁性材料結合，將可以用於高靈敏磁信號探測。本項目選擇高品質鈮酸鋰單晶為壓電相，利用鈮酸鋰晶體的高壓電係數與介電常數比值、高品質因數和不同切向鈮酸鋰單晶的多種振動模式，將不同結構取向鈮酸鋰單晶與磁性相複合。針對不同振動模式設計合理的複合結構，篩選出最優組分、結構及製備工藝，製備具有優異磁電耦合性能且高磁場靈敏度的鈮酸鋰基磁電複合材料。系統研究鈮酸鋰單晶不同切向、不同振動模式對複合材料磁電耦合性能的影響和規律，尤其是利用鈮酸鋰晶體剪下振動模式的耦合機制，為發展基於鈮酸鋰基磁電複合材料剪下振動模式的磁感測器奠定基礎。

結題摘要

多鐵性磁電複合材料基於鐵電性和磁性之間的耦合產生磁電效應，使材料能夠在施加磁場時產生電極化，或者通過電場調控其磁性能。基於鐵電-磁性材料複合製備的多鐵性磁電複合材料在磁場探測、信息存儲等方面展現出廣闊的套用前景。鈮酸鋰作為一種機械品質因數高、機電耦合係數大、化學和熱學穩定性好的壓電單晶，在製備各向異性磁電複合材料中逐步顯現出優勢，本項目旨在研究鈮酸鋰單晶不同切向、不同振動模式對複合材料磁電耦合性能的影響和規律，特別是利用鈮酸鋰單晶的剪下振動模式，對磁電複合材料進行適當的結構設計，從而獲得綜合性能優異且磁場靈敏度高的磁電複合材料。 本項目基於磁電複合材料的應力-應變耦合機制，系統研究了鈮酸鋰單晶多種切型、伸縮和剪下振動模式對磁電耦合性能的影響規律。基於彈性力學方法計算和實驗驗證，篩選出具有最優磁電性能的鈮酸鋰切型和複合材料組分、尺寸等。基於計算結果設計了一種新型剪下模式磁電複合結構，系統研究並最佳化了不同結構剪下振動模式磁電複合材料的磁電信號，該結構在準靜態條件下的最最佳化磁電係數為160 mV/(cmOe)。將剪下和伸縮模式磁電複合材料用於諧振頻率測試，在約160 kHz、伸縮模式zyw/45o鈮酸鋰中獲得的諧振磁電係數高達450 V/(cmOe)，在約3.7 MHz、剪下模式xzt/30o鈮酸鋰中獲得了較大的諧振磁電係數，顯示複合材料可用於MHz高頻磁場探測。 為了進一步拓展磁電複合材料在小型化、寬頻帶磁場探測中的套用，通過引入硬磁性SrFe12O19 (SFO)磁帶，製備出具有穩定自偏置特性的磁電複合材料。採用極化方向依次相反的方式將多個磁電複合材料串聯，製備出具有疊層結構的自偏置寬諧振頻帶磁電複合結構。 項目研究成果構建了以鈮酸鋰為代表的單晶剪下磁電係數與壓電係數的對應關係，並最佳化了剪下振動模式磁電複合結構設計，為基於鈮酸鋰基剪下磁電複合材料的磁感測器開發和套用提供了理論依據和技術支撐，有望在自偏置、寬頻帶、各向異性磁場探測中得到套用。